新一代航空發動機總共有3 萬多個零件,涉及230 多種不同標準的材料,與加工制造相關的特點具體如下: 零組件結構復雜: 風扇/ 壓氣機/ 整體葉盤葉片屬于典型的自由曲面零件,結構復雜、剛性差,加工過程易變形,需要高性能多軸數控加工設備;風扇/ 壓氣機/ 燃燒室/ 渦輪/ 中介機匣需要高精度多軸坐標鏜、高精度立式車/ 磨數控裝備、電解或線切割裝備;壓氣機轉子組合后葉尖高速磨削和機匣組件高精度立式磨削設備;盤類零件輻板、周向榫槽、軸向深孔等形狀復雜,需采用車銑磨復合、拉削、成形磨削等特殊設備或新工藝裝備;燃油噴嘴桿芯/ 活門安裝座/ 外殼油路和冷卻型腔復雜,需要增材制造設備,其活門組件很多小微零件的形位公差甚至到亞微米級,需要車銑磨一體復合加工設備;整體葉盤修復需要線性摩擦焊設備,而高壓渦輪盤軸組件、高壓壓氣機轉子、風扇盤所需要的慣性摩擦焊設備,對發動機減重和提高耐高溫性至關重要。
在實際加工中刀具的選擇應考慮以下幾個因素:工件材料、工件形狀、加工要求、加工機床、系統剛性以及表面質量技術要求等。 以渦輪機匣零件為例: 1. 從工件材料上分析,變形高溫合金、鑄造高溫合金等難加工材料大量采用,這些難加工材料導熱系數小、強度大、切削溫度高,易產生加工硬化,切削時刀具磨損快,刀具壽命短,刀具消耗量大,因此必須合理選擇刀具幾何角度。 2. 從工件結構上來看,壁薄、剛性差、難加工。加工零件凸起部分時,刀具系統容易與零件、夾具干涉,因此,必須對刀具路徑進行優化,如插銑加工代替側銑,空行程快速走刀,優化抬刀位置,采用螺旋插補等方式進行銑削。 3. 從加工工序上分析,機匣需要經過粗加工、半精加工、精加工,為了節省刀具費用,在制造這類零件時,粗加工時可采用高性能陶瓷銑刀,半精加工和精加工時采用標準硬質合金刀具和非標高性能專用刀具,這樣可顯著提高生產效率。 4. 從加工經濟性方面上來說,刀具配置方案需要不斷改進,盡量采用刀具商最新研發的產品。
航空發動機的渦輪盤、整體葉盤、渦輪葉片等零件的材料大多為鈦合金和鎳基高溫合金,如圖所示,由于大多是薄壁件,因此對其制造精度要求極高,對其加工刀具要求亦很高。高溫合金加工時由于其切削力大、加工硬化傾向大、切削溫度高、刀具磨損嚴重使其成為典型的難加工材料。 高溫合金家族共有的特點:導熱性差、彈性模量小、化學活性高和摩擦系數大,還具有其他高溫合金不具備的高強度、高韌性和高硬度的特點使得其歸屬于難加工材料行列。在車削過程中主要表現在切屑與前刀面接觸面積小,刀尖應力集中,切削溫度高,切屑不易折斷并且鋸齒化嚴重,刀具磨損嚴重,導致加工效率很低,工件加工表面質量較差。