王寶恒，李紅麗，朱 飛，馮志彪，王鮮輝，張 剛，余 昕，王永國

(1.西安航天發(fā)動機有限公司，西安 710100；2.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200444)

0 引言

航空航天制造業(yè)是高新技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)技術(shù)能力和水平反映了一個國家的現(xiàn)代化水平和制造業(yè)實力，在國防現(xiàn)代化建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用[1]。在航天發(fā)動機零部件的加工中，薄壁件是一種典型的常見難加工結(jié)構(gòu)的零件[2]。由于其剛性差，通常在加工中容易產(chǎn)生變形、振動等現(xiàn)象，這使得加工刀具的使用條件十分惡劣[3]。

加工薄壁件時的振動抑制方面的工作目前國內(nèi)外的研究可以分為：主動控制、被動控制和切削參數(shù)控制等方法。主動控制是通過在線檢測裝置測量刀具與工件間的振動實時情況，將外部能量供給制動器上，對切削過程進(jìn)行反饋控制，被動控制則是通過各種吸振器來減小振動，切削參數(shù)控制是通過檢測切削信號，調(diào)整切削參數(shù)來進(jìn)行振動控制[4-6]。

通過長期的試驗并結(jié)合實踐調(diào)整刀具及整個工藝系統(tǒng)，發(fā)動機廠的技術(shù)人員通過在零件內(nèi)腔增加支撐胎，提高了工藝系統(tǒng)的剛性，并通過優(yōu)化加工參數(shù)，最大程度使工藝系統(tǒng)、刀具、加工工藝等達(dá)到匹配，實現(xiàn)了不銹鋼薄壁件的可加工性。但隨著日漸加重的生產(chǎn)任務(wù)，加工效率的提升必然導(dǎo)致新的加工工藝與原來的刀具系統(tǒng)不再匹配。因此，通過刀具優(yōu)化，使得系統(tǒng)重新匹配，突破這一技術(shù)瓶頸迫在眉睫。本文分析了不銹鋼薄壁件的加工過程及加工特性，通過優(yōu)化刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)，調(diào)整切削參數(shù)，達(dá)到了提高加工效率，增加刀具壽命的目的。

1 不銹鋼薄壁件刀具優(yōu)化

1.1 高速鋼刀具加工不銹鋼薄壁件磨損現(xiàn)象分析

本文針對航天發(fā)動機中的某不銹鋼薄壁零件展開關(guān)于不銹鋼薄壁件銑削的刀具優(yōu)化研究。工件材料為1Cr18Ni9Ti，材料元素含量如表1所示。目前使用的刀具為20齒φ160的高速鋼三面刃銑刀，如圖1所示。

表1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼元素成分表

(a) 高速鋼三面刃銑刀 (b) 大量工件材料在前刀面上堆積 (c) “燒刀子”現(xiàn)象

目前的高速鋼刀具加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速120 r/min，進(jìn)給量120 mm/min，刀具壽命為50槽，如表2所示。由于不銹鋼材料“粘性”較大，成分與高速鋼刀具接近，使得高速鋼刀具加工不銹鋼材料時粘著磨損嚴(yán)重(如圖1b所示)，刀具壽命不高。另外，受到刀具材料的限制，易出現(xiàn)“燒刀子”(如圖1c所示)的現(xiàn)象。但由于高速鋼刀具韌性較好，具有一定的吸振能力，振刀時易出現(xiàn)的崩刃現(xiàn)象在高速鋼刀具上并不明顯。為保證零件加工質(zhì)量，以目前的加工刀具條件，切削速度難以增加。因此需要針對不銹鋼材料對刀具材料進(jìn)行優(yōu)化，確保刀具在高速切削下的耐磨性能。

表2 原高速鋼刀具尺寸、加工參數(shù)及刀具壽命

對于薄壁件銑削加工來說，由于薄壁件內(nèi)腔部分(即平行于待加工表面的工件內(nèi)表面)缺乏支撐，剛性很差。尤其對于銑削這一斷續(xù)加工而言，刀齒不連續(xù)地切削工件使得加工過程中極易發(fā)生振刀。要想在工件表面加工出質(zhì)量良好的表面，需要刀具具有一定的抗振能力以克服加工中的振刀現(xiàn)象。

1.2 刀具優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合1.1節(jié)的分析，設(shè)計了如圖2所示的焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀作為試驗刀具，刀具的關(guān)鍵尺寸及角度如表3所示。采用將40Cr鋼材作為刀具基體材料可以提高刀具整體抗振能力，而硬質(zhì)合金的刀頭則可以提高刀具在高速銑削時的耐磨性[7]。將原來高速鋼的30齒增加到40齒，同時由于刀具耐磨性的提高使得試驗刀具具有增加切削速度的潛力，這些特性使得焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀具有提高加工效率的潛力。

表3 銑刀參數(shù)

(a) 刀具整體圖 (b) 刀具局部放大圖圖2 焊接式硬質(zhì)合金40齒三面刃銑刀

2 焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀試驗

試驗在直槽銑槽機XZC-180上進(jìn)行，兩片三面刃銑刀安裝于刀柄上，為銑出合適的槽寬和筋寬(如圖3所示)，在兩片刀之間安裝一墊片，刀具裝夾方式如圖4所示。

圖3 需要在工件上銑削的筋和直槽 圖4 刀片裝夾示意圖

實驗采用焊接式硬質(zhì)合金40齒三面刃銑刀，如圖4所示，刀具參數(shù)如表3所示。中間夾一墊片并錯齒安裝于直槽銑槽機主軸上，以完成對直槽和筋的銑削。實驗所采用的加工參數(shù)如表4所示。采用100倍光學(xué)顯微鏡觀察刀具磨損，并比較不同參數(shù)下刀具壽命。

表4 試驗切削參數(shù)表

3 結(jié)果分析

為優(yōu)化焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀的加工參數(shù)，本文以加工壽命為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對比了銑刀在不同切削參數(shù)下的刀具壽命。當(dāng)加工零件的表面質(zhì)量達(dá)不到圖紙要求或出現(xiàn)異常切削聲音時視為達(dá)到刀具壽命。

由圖5可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的增加，刀具壽命呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在轉(zhuǎn)速為260 r/min時達(dá)到最大壽命。這是由于隨著轉(zhuǎn)速增加，切削溫度也逐漸上升，切削熱的增加使得工件材料被軟化，從而導(dǎo)致切削力和沖擊減小，使得刀具壽命增加。但是當(dāng)轉(zhuǎn)速突破臨界點時，由于不銹鋼材料的塑性較強，在較高溫度的情況下易產(chǎn)生粘著磨損和積屑瘤(如圖6a所示)，最終因后刀面過度磨損失效(如圖6b所示)，從而使刀具壽命下降[8-12]。

圖5 轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量對刀具壽命的影響

而隨著每齒進(jìn)給量的增加，刀具壽命呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，并在每齒進(jìn)給量為0.017 mm/z時達(dá)到最大壽命。這是由于隨著每齒進(jìn)給量的增加，切削力逐漸增加，在加工薄壁件的過程中，較大的切削力更易引起整個工藝系統(tǒng)的振動，導(dǎo)致發(fā)生振刀現(xiàn)象并對刀具產(chǎn)生劇烈破壞，引發(fā)刀具崩刃(如圖6c所示)，從而使刀具壽命劇烈下降。

(a) 粘屑 (b) 過度磨損 (c) 崩刃圖6 刀具在各切削參數(shù)下的不同磨損形式

通過對刀具壽命在不同轉(zhuǎn)速下變化規(guī)律的分析可以得知轉(zhuǎn)速在260 r/min的情況下為本文所設(shè)計的焊接式三面刃銑刀最優(yōu)的轉(zhuǎn)速。另外，對于刀具壽命隨每齒進(jìn)給量的變化趨勢可以預(yù)想，每齒進(jìn)給量越小刀具壽命越大，但會相應(yīng)的犧牲加工效率，因此本文綜合考慮刀具壽命和加工效率的情況下，選擇每齒進(jìn)給量0.017 mm/z作為實際加工參數(shù)，即進(jìn)給量為180 mm/min的情況。

4 結(jié)論

不銹鋼薄壁件銑削加工，加工過程中容易產(chǎn)生振動和變形，刀具磨損嚴(yán)重，難以提高加工效率。本文基于此開發(fā)了一種焊接硬質(zhì)合金三面刃銑刀，鋼制刀體具有很好的吸振能力，降低切削過程振動，從而降低刀具磨損，提高刀具的壽命，硬質(zhì)合金刀片具有良好的耐磨性并且適用于高速切削。本文通過切削實驗對焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀進(jìn)行實驗驗證，在切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n=260 r/min，進(jìn)給速度：vf=180 mm/min時，得到了最好的切削效果，其中銑削溝槽數(shù)量高達(dá)到400條。本文設(shè)計焊接硬質(zhì)合金三面刃銑刀，成功應(yīng)用于航天發(fā)動機某關(guān)鍵零件生產(chǎn)線，將進(jìn)給速度由120 mm/min提升至180 mm/min，切削效率提升近50%，銑削溝槽數(shù)量由50個提升至400個，刀具壽命提高近7倍。