中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 廖鈴吉 任景剛 楊金鋒

高溫合金、鈦合金等難加工材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中廣泛應(yīng)用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)、機(jī)匣等復(fù)雜零部件。這類材料切削性能差，在加工時(shí)切削力較大、切削溫度高，造成刀具磨損嚴(yán)重。生產(chǎn)實(shí)踐中，通常采用較為保守的切削參數(shù)以降低刀具磨損速率和控制工件表面加工質(zhì)量。但是，這會(huì)造成產(chǎn)品的加工效率較低。如何提高這類材料的切削加工效率、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)周期與生產(chǎn)成本一直是工業(yè)界及學(xué)術(shù)界研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，在切削難加工材料時(shí)，刀具-工件包角對(duì)刀具的磨損有重要影響。有效控制刀具-工件的包角對(duì)于控制切削加工過(guò)程中的熱力耦合作用、減少刀具磨損有顯著效果。擺線銑加工技術(shù)是一種在切削過(guò)程中對(duì)刀具進(jìn)行降低負(fù)載和充分冷卻的加工技術(shù)。擺線銑加工過(guò)程中，由于刀具-工件之間具有較小的包角，可以在切削難加工材料時(shí)提供有效的冷卻與潤(rùn)滑，從而可以提高切削速度、避免滿刀切削、降低刀具的磨損，近年來(lái)逐漸引起了工業(yè)界的重視并在難加工材料的粗加工中進(jìn)行了應(yīng)用。

擺線銑加工技術(shù)

1 擺線銑加工中的力熱耦合作用特點(diǎn)

粗加工過(guò)程中通常期望提高材料去除率。傳統(tǒng)銑削方法通常采用增大刀具嚙合角來(lái)滿足材料去除率的要求。然而，這必然導(dǎo)致刀具和工件之間的接觸時(shí)間長(zhǎng)、切削溫度升高，進(jìn)而影響刀具使用壽命。如圖1所示，以槽銑為例，使用傳統(tǒng)的工藝方法開(kāi)槽時(shí)，刀具嚙合角可以達(dá)到180°。過(guò)大的刀具浸入角（刀具包角）會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的徑向力，使刀具發(fā)生彎曲變形，從而影響腔槽的幾何尺寸。此外，當(dāng)?shù)毒?工件包角過(guò)大時(shí)，切削熱不斷積累、加工溫度升高，從而導(dǎo)致切削溫度超過(guò)了刀具涂層的耐溫極限，形成刀具涂層失效、加劇了刀具磨損，如圖2所示。因此，加工時(shí)不得不選取保守的軸向切削深度減小切削量、降低刀具的磨損速度。這種情況不僅降低了加工效率，還影響了加工的精度。

與傳統(tǒng)加工不同，擺線銑加工過(guò)程中刀具-工件包角一直處于較小的狀態(tài)，刀具在公轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中處于切削狀態(tài)的時(shí)間較少，從而非常有利于切屑的排出與刀具的散熱。擺線銑削主要目的是在充分滿足徑向切深的情況下避免槽銑等全浸入式銑削。這對(duì)于減少刀具的磨損、延長(zhǎng)刀具的使用壽命非常有利。而對(duì)于采用較小的刀具-工件包角有可能帶來(lái)的切削效率降低，在擺線銑技術(shù)中，可以采用比常規(guī)銑削方法更大的軸向切深以提高材料去除率。

切削力方面，擺線銑時(shí)刀具在每公轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，徑向的切削深度從零開(kāi)始逐漸增加到最大，然后再逐漸減小到零。切削力也經(jīng)歷著從零增大到再減小的過(guò)程，如圖3所示。因此，切削過(guò)程中刀具負(fù)載不會(huì)出現(xiàn)突變的情況。此外，因?yàn)閿[線加工中刀具的徑向切削深度較小，所以切削合力也較小。較低的切削溫度以及小徑向切深帶來(lái)的低切削力使得在擺線銑過(guò)程中可以采用相對(duì)于傳統(tǒng)加工2～3倍以上的進(jìn)給速度，從而有效提高加工效率。

圖1 傳統(tǒng)開(kāi)槽加工與擺線銑開(kāi)槽加工

圖2 刀具包角對(duì)切削熱積累的影響

圖3 擺線銑加工中的實(shí)測(cè)切削力

2 擺線銑的軌跡形式

通常采用的擺線刀具軌跡有兩種模型：圓形模型和次擺線模型，如圖4所示。其中，圓形模型軌跡由圓和直線段組成，刀具公轉(zhuǎn)運(yùn)行軌跡為圓形，旋轉(zhuǎn)一周后沿圓弧一側(cè)的直線移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)再進(jìn)行公轉(zhuǎn)。這種加工軌跡的計(jì)算較為簡(jiǎn)單，但是會(huì)產(chǎn)生加速度的不連續(xù)。

次擺線模型軌跡與圓形模型軌跡相比，主要差別在于刀具進(jìn)給方向上的運(yùn)動(dòng)不單純是直線運(yùn)動(dòng)。這種擺線軌跡在切向和曲率上都是連續(xù)的，更容易滿足數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。

除上述軌跡之外，逐漸被普遍采用的一種擺線銑加工軌跡如圖5所示。這種軌跡在次擺線軌跡的基礎(chǔ)上縮短非切削部分的軌跡長(zhǎng)度，采用直線進(jìn)行連接，從而有助于提高加工效率。目前擺線銑加工軌跡生成方法中主要采用這種軌跡形式。

圖4 圓形擺線和次擺線刀具軌道

圖5 常用的擺線銑軌跡

3 擺線銑加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)加工軌跡形式，擺線銑加工技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）擺線銑加工中，刀具沿?cái)[線軌跡進(jìn)行切削，可以適應(yīng)各種加工余量的變化，從而降低加工余量突變對(duì)刀具的破壞。

（2）特別適合難加工材料的切削加工，如高溫合金、鈦合金、耐熱不銹鋼等材料。

（3）擺線銑加工技術(shù)可以采用較大的軸向切削深度，從而可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工中需要進(jìn)行多次分層的情況。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金的切削過(guò)程中，軸向切深可達(dá)20mm以上。

（4）擺線銑加工過(guò)程中刀具負(fù)載在每一個(gè)擺線循環(huán)中都經(jīng)歷了從小到大然后再變小的過(guò)程，不會(huì)出現(xiàn)刀具負(fù)載的突變，從而可以有效減少刀具的磨損。刀具壽命最高可延長(zhǎng)5倍以上，從而也相對(duì)降低了對(duì)刀具品質(zhì)的要求。

（5）在每一次刀具公轉(zhuǎn)走刀循環(huán)過(guò)程中，到包含了切削過(guò)程和非切削過(guò)程，切屑薄容易排出，使得切削區(qū)域冷卻充分。切削條件得以改善，可以保持高的切削速度，進(jìn)一步延長(zhǎng)了刀具使用壽命。

（6）擺線加工中可以使用密齒刀，從而可以進(jìn)一步提高切削參數(shù)和加工效率。在使用擺線銑加工時(shí)，采用12mm直徑密齒刀具加工高溫合金時(shí)的進(jìn)給速度可達(dá)800mm/min以上，單件的加工時(shí)間最多可以降低75%。

（7）由于切削時(shí)切削力較小，將擺線銑技術(shù)與高速加工技術(shù)結(jié)合則特別適合薄壁零件的高效加工。

擺線銑加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著數(shù)控機(jī)床性能的不斷提高以及擺線加工技術(shù)的不斷完善，國(guó)內(nèi)外工業(yè)界對(duì)擺線加工技術(shù)的應(yīng)用也逐漸增多。美國(guó)CELERITIVE技術(shù)公司對(duì)擺線銑加工技術(shù)進(jìn)行了發(fā)展，開(kāi)發(fā)出了專用的VoluMill軟件，并申請(qǐng)了相關(guān)軌跡生成方法的專利。VoluMill軟件目前已可直接集成于Siemens NX、PTC、OpenMind等主流軟件中。

英國(guó)Delcam公司近年來(lái)在擺線銑加工技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了專門(mén)針對(duì)粗加工的Vortex技術(shù)。利用該技術(shù)在加工鈦合金零件時(shí)加工效率可以提升60%以上。利用Vortex技術(shù)生成的加工軌跡如圖6所示。

圖6 利用Delcam Vortex技術(shù)生成的軌跡

除了在型腔類零件的加工中使用擺線銑加工技術(shù)，在復(fù)雜薄壁零件加工中的應(yīng)用也逐漸增多。德國(guó)MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司從2000年開(kāi)始研究擺線加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)加工中的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)10余年的研究開(kāi)發(fā)成功并在整體葉盤(pán)的加工中進(jìn)行了應(yīng)用。根據(jù)MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的研究報(bào)告，采用擺線銑加工技術(shù)加工高溫合金In718整體葉盤(pán)時(shí)，加工時(shí)間可以縮短至原來(lái)的34%左右，加工過(guò)程中使用的刀具數(shù)量降為原來(lái)的28%，葉盤(pán)加工中的刀具成本降為原來(lái)的38%。擺線銑加工技術(shù)（圖7）為MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司整體葉盤(pán)的加工帶來(lái)了巨大的效益。此外，DP Technology公司從2012年開(kāi)始也在軟件中集成了整體葉盤(pán)的擺線銑粗加工開(kāi)槽模塊。

圖7 MTU開(kāi)發(fā)的整體葉盤(pán)擺線銑技術(shù)

德國(guó)的OPEN MIND軟件公司在VoluMILL的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了hyperMAXX模塊，可以在類似發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的復(fù)雜薄壁環(huán)形件的加工中進(jìn)行應(yīng)用，如圖8所示。該模塊具備2軸、3軸以及5軸的擺線加工軌跡生成能力。

圖8 hyperMAXX生成的加工軌跡

除了軟件公司對(duì)擺線銑加工技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與集成之外，數(shù)控系統(tǒng)制造商也逐漸增加了該項(xiàng)功能。海德漢iTNC 530系統(tǒng)增加了275擺線槽加工循環(huán)，可以用于任何槽的高效完整加工。該循環(huán)采用直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)與銑刀圓周運(yùn)動(dòng)疊加形成軌跡。該功能特別適用于銑削高強(qiáng)度或高硬度的材料，在采用275擺線加工循環(huán)時(shí)允許使用大的切削深度和高速的切削運(yùn)動(dòng)。

擺線銑加工難點(diǎn)分析

擺線銑加工技術(shù)在難加工材料的高效切削加工中作用顯著，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：

（1）刀具-工件包角的確定。在生成擺線銑加工軌跡時(shí)，刀具-工件最大包角的選擇對(duì)加工效率有顯著影響。刀具-工件包角選擇過(guò)大會(huì)導(dǎo)致刀具的加速磨損，而選擇過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致加工軌跡過(guò)長(zhǎng)，影響加工效率。刀具-工件包角的大小對(duì)切削過(guò)程中力熱耦合作用有重要影響，進(jìn)而影響到刀具的使用壽命和加工效率。因此，需要針對(duì)不同的工件材料，通過(guò)切削試驗(yàn)確定較佳的刀具-工件包角。

（2）擺線加工軌跡的生成。目前的主流軟件中，都已具備簡(jiǎn)單擺線銑加工軌跡生成的功能。但是對(duì)于復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)零件，則需要較為復(fù)雜的擺線銑加工軌跡生成方法。擺線軌跡生成要求光順性較好，以使得機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中能獲得較好的加減速性能。此外，目前的擺線加工軌跡應(yīng)用在2～3軸中的應(yīng)用較多，在5軸加工中的應(yīng)用較少。在生成5軸擺線銑加工軌跡時(shí)，由于刀具軸向切深較大，刀軸矢量的變化對(duì)刀具負(fù)載的變化影響較大。因此，如何對(duì)5軸擺線銑加工中的刀軸矢量進(jìn)行控制也是擺線銑加工軌跡生成中的難點(diǎn)。

（3）切削刀具的選擇。擺線銑加工方式可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜薄壁零部件的高效粗加工，如整體葉盤(pán)、機(jī)匣等。這類零件通常加工區(qū)域空間有限，必須選擇合適直徑的刀具進(jìn)行加工。此外，在加工難加工材料時(shí)，還應(yīng)考慮在擺線銑加工過(guò)程中采用密齒刀進(jìn)行加工。

擺線銑加工技術(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證

擺線銑加工技術(shù)在難加工材料和薄壁零件加工過(guò)程中顯現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的高效粗加工提供了一種新的可能。同時(shí)，對(duì)刀具要求的降低與加工效率的提升也大大降低了航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零部件的加工成本。圖9所示為采用擺線銑加工方法和常規(guī)方法加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)用GH4169G材料時(shí)的刀具磨損情況對(duì)比結(jié)果，所用刀具為國(guó)產(chǎn)普通硬質(zhì)合金涂層刀具。從結(jié)果中可以看出，在相同的材料切除量與加工時(shí)間情況下，采用擺線銑加工時(shí)的刀具磨損量遠(yuǎn)低于使用常規(guī)加工方法時(shí)的刀具磨損量。

圖9 GH4169G擺線銑試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證擺線銑加工技術(shù)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣模擬件進(jìn)行切削加工。工件材料為耐熱不銹鋼，所用刀具為12mm國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金平底刀。刀具軸向切深為2.5mm，待切除的材料體積為79cm3。采用擺線銑方法的加工時(shí)間為31min，加工后刀具磨損量較小。機(jī)匣試件擺線銑試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。上述試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果充分顯示出擺線銑技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料零部件高效粗加工中應(yīng)用的潛力。

圖10 機(jī)匣試件擺線銑試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

難加工材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中大量使用，隨著數(shù)控機(jī)床性能的提高，采用擺線銑加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料復(fù)雜零部件的高效粗加工已成為可能。目前，擺線銑加工技術(shù)已在多款軟件中進(jìn)行了集成與應(yīng)用，但在結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零部件的加工應(yīng)用中還需要在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)：

（1）常用航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料的基礎(chǔ)切削參數(shù)。在應(yīng)用擺線銑加工技術(shù)時(shí)，確定合適的刀具-工件包角與切削參數(shù)對(duì)發(fā)揮擺線銑的加工優(yōu)勢(shì)、提高加工效率有重要作用。

（2）多軸擺線銑加工策略研究。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、整體葉盤(pán)等零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在如何結(jié)合這類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高效應(yīng)用擺線銑加工技術(shù)方面需要進(jìn)一步深入研究。

（3）擺線銑加工技術(shù)應(yīng)結(jié)合數(shù)控加工裝備與刀具的特點(diǎn)。擺線銑加工技術(shù)具有切深大、速度高的特點(diǎn)，在規(guī)劃擺線銑加工軌跡與確定切削參數(shù)時(shí)應(yīng)結(jié)合數(shù)控裝備和切削刀具的特點(diǎn)，充分發(fā)揮擺線銑技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與數(shù)控設(shè)備的利用效率。