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燃气轮机零件上凹槽的高效仿形加工
作者:山特维克可乐满
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车刀/镗刀展厅
车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ...
环、盘、轴和机匣—这类燃气轮机发动机零件不仅形状复杂,其材料的可加工性一般也较差。而当前,这些零件的供应商们,无疑正承受着日益增加的成本和交货期方面的压力。若想尽可能高效地进行生产以确保自身竞争力,就必须站在机加工技术发展的前列。

高切削力、高切削温度和较强的沟槽磨损趋势,对高效切削加工和切削刃提出了很高要求,为此专门开发的刀具和加工工艺也随之加速进入了人们的视野。而千变万化的加工要求,也会令各具特色的刀具找到其用武之地。

出於强度考虑,燃气轮机零件的大多数内外槽形总带有圆弧面和一些复杂曲面。为了加工宽槽或凹窝,大小合适的可转位圆刀片就成为首选解决方案。

几乎所有刀片都有刀尖圆弧半径,对於圆刀片而言,可以说其整个切削刃均以刀尖圆弧半径的形式存在。它们可以是用在普通车刀上的用螺钉夹紧的真正的圆刀片,也可是用在切槽刀板上的有圆弧刃口的切槽刀片,或是非标的弯头圆弧头刀片以获得最大的刀具可达性。对於上述这些类型的圆刀片,其尺寸选择往往需考虑工件的轮廓半径,以便获得最佳的刀具切削路径。

要求苛刻的切削

在加工由难加工材料(如耐热超级合金或钛合金)构成的燃气轮机零件时,一定要谨慎选择刀具、切削参数和走刀路径。

就目前情况来看,仿形加工这些零件上的凹槽时,值得优化的地方很多,从而进一步缩短加工时间,确保加工过程的安全性以及零件质量的一致性,并由此降低废品率。在为随後的粗加工或精加工工序选择最先进最合适的圆(刀片)刀具後,接下来就是优化切削参数,此举是为了控制切削热、改善刀具寿命和切屑形成。

使用圆刀片时,确保正确的切屑厚度、切削深度和进给量显得尤为重要。切削刃的主偏角是确定切屑厚度的关键,在加工耐热合金时起到了至关重要的作用。这对遏制耐热超级加工时的沟槽磨损,以及钛合金加工时对长切屑的控制有着重要影响。因此,有必要选择合理的进给量以便形成足够厚的切屑,才不会对切削刃产生负面影响。

对硬质合金和陶瓷刀片来说,加工这些材料时具有截然不同的切削速度限制值。对於陶瓷刀片,需要谨慎地平衡所产生的切削热,也即:足以使工件材料发生塑性变形而形成切屑,但又不可过度以免对刀具材料产生有害影响。对於硬质合金刀片,切削速度受到限制(通常较低)。从生产效率的观点来看,采用较高的进给量通常是有利的,此时刀具寿命会稍有降低。

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典型盘类零件加工所用的圆刀片刀具

圆刀片

圆刀片具有最为坚固的切削刃,且对走刀方向限制较少。对於适合耐热超级合金切削的陶瓷刀片以及适合此类合金与钛合金切削的硬质合金刀片,采用圆刀片时,为获得令人满意的性能所需的最大切削深度应为刀片直径(IC)的25%(对应於60度的主偏角),因为过多的切削深度会导致振动趋势加剧和性能的不稳定。

当切削深度为刀片直径的15%(对应於45度的主偏角)或更低时,则可获得最佳性能。采用较小主偏角所形成的切屑较薄,这意味着可降低沟槽磨损的趋势并有潜力提高进给量。根据相应的推荐值,考虑到合适的最大和最小切屑厚度,切削深度与刀片直径IC比值介於0.05(对应於26度主偏角)到0.15(对应於45度主偏角)之间时的进给量修正系数为2.3到1.4。

由此可见,使用圆刀片时,切削深度与刀片直径之比对很多方面都具有相当大的影响,这包括金属去除率、切削时间、编程可能性、表面质量以及切槽和仿形加工工序的安全性。

对凹槽的车削

排屑是成功的关键因素之一。对於钛合金,通常希望得到切屑宽度小於刀片(凹槽)宽度的较长的螺旋或螺卷屑。钛合金形成切屑时剪切变形极高,因而较难形成更窄切屑,这需要选择最合适的刀片槽形和进给量。在所选槽形的工作范围内,刀具寿命也是确定最佳进给的影响因素之一。

零件需要进行很多宽槽加工,这就意味着有机会通过应用最合适的刀具和走刀路径来实现对切削过程的优化。毫无疑问,所有凹槽都有侧壁。如不采取相应措施,便会导致刀具在切进侧壁时发生切削刃吃刀突然过多的不利情况。当切削到底部与侧壁过渡圆角时,切削刃会经历切削深度突然增加的冲击:其主偏角从低於45度快速增至100度—相应切削深度可以从圆刀片直径的15%增大到60%。这种冲击和额外的负载效应会加剧刀具过度磨损的风险,甚至会引起刀片破裂并减少圆刀片的转位次数。

“滚入”/“滚出”式切入切出

对於使用圆刀片的车削,可采取各种方法对切入工件和底部与侧壁过渡圆角部分的加工进行优化。其主要方法是在接近圆角时减小进给量,此举可降低切削刃上的压力;另一种方法是结合使用适合於过渡圆角半径的刀片直径,使刀片不同时加工侧壁和过渡圆角部分,从而大幅度减少切削刃与工件的接触长度。

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摆线车削/向车削

也即,我们的目的是使用尺寸与侧壁过渡圆角相适应的圆刀片,以最佳的走刀路径和进给量,以“滚入”和“滚出”进给的方式加工过渡圆角。过渡圆角半径与刀片直径之间的差别越大,进给量的降低就越少,生产效率也会越高。

至於刀具的切削路径,其编程半径应该不大於刀片直径(取决於该工序的性质)。一般来说,应将宽槽加工划分为若干仿形切削的集合。此举旨在在最佳进给量下保持合适的切削刃接触弧长,以获得较大切削深度。摆线车削具有 定的走刀回圈,刀具切削刃与工件接触弧长相对较小,这种加工方法可以改善切削效果,优势明显,能够很好地替代斜向车削、切入式车削和各种形式的切槽循环。

圆刀片加工领域的进展

如果要归纳圆刀片加工领域的进展,则具体体现在刀片槽形、材质以及编程方法上。专用的刀片材质和槽形对於车削耐热超级合金来说至关重要。作为陶瓷刀片的补充,最新推出的硬质合金刀片近年来发展迅猛。

SO5F是一种非常先进的硬质合金材质。其高硬度的细晶粒基体加上CVD薄涂层,使其能够承受更高的切削温度,耐磨性很好。这意味着,该材质能够在粗加工和精加工工序中以更高的切削参数进行车削。PVD涂层的硬质合金材质GC1105具有很高的红硬性,在很宽的切削参数范围内都能有效避免在锋利的切削刃上出现塑性变形。

在陶瓷材质方面,装上赛阿龙(Sialon)陶瓷CC6060的车刀使仿形加工和凹腔加工进一步完善。在更为稳定的加工场合,或工件表面已经预加工的条件下,该材质具有非常强的抗沟槽磨损能力。

再来看槽形,圆刀片和圆弧刃口切槽刀片(如SM和RO)已被开发出来,以优化耐热超级合金的车削、仿形加工和凹腔加工工序。SM是一种具有更大使用范围的圆刀片槽形,其轻快的槽形与S05F材质相结合,可使用很高的切削参数。槽形RO用在CoroCut双头圆弧刃切槽与仿形刀片上,该槽形具有锋利的切削刃,当加工耐热超级合金和其他粘性材料时,在较低的切削深度和进给量下能够提供良好的切屑控制。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/22/2009)
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