涡轮压缩机叶片的铣削加工

作者：张铁铭 编译

欢迎访问e展厅 展厅 3 压缩机/分离/过滤机械展厅 压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ... 美国Turbocam公司生产的Turbocam五轴加工机床是用于加工涡轮机的转子、定子等成套零件。在Turbocam五轴加工机床上加工的材料包括弥散硬化不锈钢、钛合金、镍合金等，许多工件具有很高的高温强度，很难加工。加工此类材料应采用锋利的正前角刀具，对材料进行“剪切”(而不是“挤压”)加工，使切削过程的摩擦减至最小。 通常，涡轮压缩机的零件都很复杂，其型腔很深，型腔深部和根部的圆弧半径很小。这就迫使刀具悬伸长度较大，且刀具直径受到限制，使刀具长径比较大。正常立铣加工的长径比约为4:1，而Turbocam公司常用的长径比达到10:1或20:1。有时我们也用一些很细的刀具，其直径为0.5mm或0.75mm。对于使用小直径刀具进行深型腔加工和用大长径比刀具加工，直接与刀具的硬度有关，而进给量用多大，切削状态如何，则要看刀具是否有偏斜。 Turbocam公司使用了大量的球头立铣刀。该公司副经理John Bressoud说，为了加工一特殊型面，在切除余量较小时，应使用球头立铣刀。在加工很深的型腔时，因切削负荷较大，则应使用平头立铣刀或带有圆角半径为0.5mm的平头立铣刀进行精加工。对于球头立铣刀，距球头顶端越远，其切削速度越高，直到刀具最大直径。 Turbocam公司所用的整体硬质合金立铣刀多半是专用的。镶可转位刀片的立铣刀则不太适合Turbocam五轴加工机床对小直径刀具的要求。在Turbocam五轴加工机床上进行加工时，刀具与机床回转中心的同轴度是一个值得重视的问题。如在宇航工业中，设计者要求导向尖有0.076mm的成形误差，但刀片的径向跳动过大，达到0.05mm，已占去2/3的公差带，显然不能满足要求。 所以,应该掌握优化工具与工件和机床运动的相互关系。在五轴铣削加工中，理想的方位是刀具移动的方向正交于刀具轴线。Mikron Bostmatic公司的Turbocam五轴加工中心能加工很复杂的型面轮廓。Turbocam ailors是精加工用的加工程序。如果有一个精度足够高的平面(比32微英寸还好)，再采用一些精密技术，就可加工出形状误差比±0.0025mm还小的叶片。当然这要根据零件的大小来决定。 Tech Development公司也是一家制造涡轮机的厂商，专门从事设计、试验和制造涡轮机的相关零件，并能生产磁力轴承等其它产品。该公司应用五轴加工技术加工复杂型面，除了用Bostomatic五轴机床外，还有Parpas公司生产的大型五轴加工机床。五轴加工技术能使用户在加工复杂零件时，避免刀具上零速度点参与“切削”，机床能定向刀具，不用球头立铣刀的中心进行切削。在加工中，可采用先进的切削方法，如螺旋切入工件，它比直接切入要容易。值得指出的是，能在三轴机床上加工的零件，就没有必要在五轴加工机床上去加工。Tech Development公司基本是用整体硬质合金、氮铝钛涂层球头立铣刀和带圆角的立铣刀来加工涡轮机零部件，当加工余量较大时，则在有足够动力的三轴机床上用高速钢立铣刀进行加工，该立铣刀具有很小的回弹力，切削的速度不是很快，但可用较大的切深，加工效果很好。 选择合适的工具夹紧方式也很重要。在一些要求精度高的场合，可选用热装工具柄。以前加工涡轮压缩机零部件是采用锥度球头立铣刀，因刀具费用较贵，而且制造公差不符合实际要求，现选用热装卡头装卡直径为3mm、4mm的球头立铣刀。这种热装卡头运转时同轴度好，刀具与卡头有360°接触。加工出的工件表面光洁度很高。热装卡头外廓可适当加以修切，以消除有进卡头与工件的干涉。 Stellex公司专门生产涡轮机硬件(叶轮和定子)。该公司商务部副经理Doug Verill说，涡轮压缩机的各类零部件材料各异，从6061铝(一种Al、Mg、Si合金)到Waspaloy(相当于高温合金GH738)，Hastelloy(相当于高温合金GH22)，Haynes188(属Co、Cr、W系高温合金)，甚至陶瓷材料。因此，对于研发新产品在预先考虑选择刀具时，生产率固然重要，便更应注重质量，在加工关键零件时，宁可多花一些时间，以求刀具在使用中取得更长的寿命和更好的使用效果。在加工涡轮压缩机各类零件时，该公司总是用标准涂层硬质合金刀具，而且不采用太高的切削速度。对于形状复杂的零件，90%以上都是使用球头立铣刀，为保证刀具具有足够的强度，刀具沟槽应尽量短一些。在加工国外特殊工件材料时，要保证正常的切削而避免摩擦，也可将工件淬硬，在没有任何振动冲击的情况下，采用高速和小切深的加工方法。 对于加工有些合金时产生大量的切削热，则应考虑选用适当、有效的冷却方式：一些冷却液可冷却刀具和减少磨损，而不能免除摩擦；另一些冷却液可使摩擦最小化，但不能延长刀具寿命。 关于如何选择立铣刀，美国Kennametal公司市场部经理Steve Abrams认为，在涡轮机零件生产厂铣刀的选择和应用情况是，不同厂家加工同样的材料，所采用的刀具可能会有很大的差别。如一个厂家使用现代化装备，可能选择生产效率高的刀具，而一些老企业(使用传统的齿轮传动机床的工厂)，可能会要求韧性较好的刀具。此外还要看所选的刀具是否能在市场上买到。 通常，像宇航工业用的钛合金，则要求刀具有较大的螺旋角和较大的前角，这可使刀具在加工时，刀具和工件间的摩擦降至最小。 美国Kennametal IPG′s Hanita生产了一系列的用于粗、精加工高温合金、不锈钢和淬硬钢的立铣刀，可有效减少加工时间。这种称为VariMill的立铣刀综合了抛物面槽形、不等分刀齿、带有可控后角(已有专利)设计的几个点，避免了由于高速加工震颤导致的共振 Dura铣刀公司副总裁Scatt Walrath认为，当加工国外材料时，每种场合所用的切削参数都不相同。为帮助使用者选择合理的参数，该公司提供了一个刀具用户指南。该指南指导使用者通过五个步骤来定义所加工的材料。选择刀具、确定径向和轴向切深，然后最终推荐开始时应选取的切削速度与进给量。这些结果说明，不同的合金材料在加工时有不同的特性。如当用直径为3/8英寸TiAlN涂层硬质合金立铣刀加工Inconel718(硬度＞32HRC)材料时，径向、轴向切深推荐采用3mm，“指南”推荐进给量为2ipr，表面速度为60sfm。另一方面，当加工Inconel600/625(硬度＜32HRC)材料时，在同样进给量和切削深度的情况下，所推荐的切削速度比加工那些更硬的合金高50%。如果加工了几个工件后，未见刀具磨损，加工时没有产生噪音，说明铣刀工作良好，则还可将其切削速度调高20%，目的是为了得到最佳的刀具寿命，提高经济效益。(end)

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