航空发动机难加工材料的车削解决方案

■瓦尔特公司供稿

航空发动机难加工材料的车削解决方案

■瓦尔特公司供稿

ISO-S难加工材料组中的两个子类钛合金和高温合金在航空发动机零部件中应用广泛，如轴、整体叶盘、机匣等复杂零部件。这类材料的切削性能极差，容易粘结，加工中易生成积屑瘤；导热性非常差，切削中生成的热量大部分都无法传导给切屑带走，切削区温度非常高，造成刀具磨损严重。

在实际应用中，通常采用低切削参数来减缓刀具磨损和确保零件质量，导致产品的加工效率受到限制，并且生产成本居高不下。作为金属切削刀具行业的领先企业，瓦尔特紧密关注航空发动机难加工材料的发展，致力于开发创新的刀具产品和解决方案，提高难加工材料的切削加工效率、降低产品生产周期和生产成本。

钛合金和高温合金常常使用相同类型的刀片进行加工。但在ISO-M材料（不锈钢和耐腐蚀钢）的切削中已经得到了验证：所用的刀具材料和槽形需要有所区别才能更高效。为获得最佳的切削性能和最高的刀具寿命，有必要为钛合金和高温合金分加别制定加工方案。对于钢和铸铁加工，通用的可转位刀片可能是最经济的方法，但是在ISO-S材料范围内，专门的解决方案往往能获得更好的加工效果。

钛合金切削时容易产生由扩散引起的月牙洼磨损。刀片材料中的碳粒子流入切屑，刀片受到侵蚀，切削区域会逐渐减弱。工件坚硬的锻造表皮，材料的高强度增大了崩刃和塑性变形的风险。材料的弹性模量低，增大了振动的倾向。切削刃一但有积屑瘤形成，刀片很快就会崩刃。而且这些失效现象会随着材料合金晶相中的β相的百分比增大而增强。Ti6Al4V是广泛使用的材料，它同时含有α相和β相组织，是非常难加工的材料。而新材料Ti-5553是一种高纯β相合金，它更加难切削，切削速度只有Ti6Al4V的一半。但是，由于钛合金优异的比强度优势，逐渐成为飞机起落架和结构零件的理想材料。

图1

为此，瓦尔特专门设计了Sky·tec™系列三种车削刀片槽形NFT、NMT和NRT（见图1）。Sky·tec™钛合金系列刀片具有专用的、窄的断屑槽，这是为了获得良好的车削加工断屑效果所采取的改进，优化切屑的形状，即使是在刀片磨损的状态下。NRT粗加工槽形的具有特别稳定的断屑槽结构，倒棱较宽，可承受大切深和大进给车削，并有效控制月牙洼磨损。半精加工NMT槽形稳定性好，曲线的切削刃，用以减小切削力，降低切削温度，同时更易形成短切屑。NFT精加工槽形优化的锋利切削刃，加工更轻快，刃口周边全磨削，保证

加工的高精度。从外观上看，这一系列的刀片都没有采用涂层设计，因为瓦尔特选择了抗月牙洼磨损效果最好的刀片基体材料，而涂层则不会带来明显的帮助，反而会影响到刃口的锋利性，带来切削力和切削温度增加的不利结果。

一个钛合金机匣粗车的案例，材料为Ti6Al4V，过去采用与切削ISO-M材料通用的槽形，现在尝试采用Sky·tec™系列解决方案来提升加工寿命。使用相同的切削参数（vc=55m/min，f= 0.4mm/r，ap=2.3mm），使用粗加工NRT槽形和WS10材质刀片，帮助制造商达成了优化目标，同时在加工过程中形成一致的短切屑，确保了加工过程稳定可靠。

对于高温合金零件车削，切削刃的塑性变形、积屑瘤和沟槽磨损是刀片失效的主工原因。在高温合金切削过程中，切屑常常冲击可转位刀片的后刀面，形成很大的冲击力，刀片面临着崩刃的风险，同时材料加工硬化会让刀片形成沟槽磨损。风险叠加，一方面要求刀片有相对稳定的切削刃，另一方面，更加重要的是要求刀片有较为锋利的槽形。这就向研发人员提出了调和这两种的要求的挑战。

瓦尔特研制了专门用于高温合金材料车削的NMS和NRS槽形（见图2）。与钛合金系列的窄断屑槽相反，NRS和NMS槽形需要有较大的切屑变形空间，如果高温合金的切屑变形太过剧烈而产生加工硬化，则刀片会迅速损坏。NRS槽形具有较宽的断屑槽，可以保持较深的切削深度，适合于粗加工，而NMS槽形的断屑槽稍窄，适合用于较小切深的半精加工和精加工。为了确保获得锋利的切削刃，NMS和NRS槽型都采用了大前角设计和极小的刃口钝化处理。与钛合金Sky· tec™系列采用无涂层设计不同的是，NMS和NRS槽型的刀片都结合了PVD Al2O3涂层，因为对于高温合金，具有高硬度、高热稳定性和化学性能的先进涂层技术可以显著提高刀具寿命。瓦尔特为这两种槽形提供了 WSM10和WSM20两种PVD Al2O3涂层的刀片材质，PVD涂层温度低，刀片韧性好，刃口更锋利，Al2O3涂层起到了高效的绝热体的作用。

图2

一个车削Inconel 625高温合金的案例，在加工过程中，客户将瓦尔特的NMS WSM10材料与其它切削刀具供应商推荐的ISO-M和ISO-S材料通用的可转位刀片作了比较。测试中，切削参数保持不变（vc=50m/min，f=0.2mm/r，ap=3mm）。在仅仅18min后，由于切削刃上的沟槽磨损和崩刃，而刀片失效。而由瓦尔特的NMS槽形的刀具直到33min后，还没有任何沟槽磨损。就加工件数量来说，瓦尔特以11对6，取得了胜利。

同样的设计理念，瓦尔特也应用到了车槽刀片的设计上，专门开发了针对高温合金材料仿形车削用的圆头槽刀片槽型RF8系列（见图3）。该槽型采用全刃口磨削处理的方式，保证了刀片的锋利性和精度，实现最小的切削力，在加工薄壁零件时可以防止加工变形，保证产品精度。瓦尔特为RF8槽型量身定制了WSM13S和WSM23S两种PVD Al2O3涂层的刀片材质，得益于最佳基体与涂层的结合，使得刀片具有最出色的寿命。

图3　RF8-高温合金圆头槽刀片

同样来自发动机客户的应用案例，R E N E41材料的支撑环，有一段长度90m m、厚度1.9m m±0.1的圆锥面需要精车，原用刀片在加工一半时已严重磨损，只能停车转位，这样尺寸很难控制，并且有明显的接刀痕，采用瓦尔特R F8 WSM13S的刀片后，切削参数不变（vc=20m/min，f= 0.12mm/r，ap=0.15mm），用一个刃口即完成了该圆锥面的精加工，尺寸稳稳地保持在公差内，没有接刀痕，不需停车，保证了生产的连续性。

收稿日期：（20150722）