用高效刀具实现燃气轮机零件上凹槽的高效加工

环、盘、轴和机匣这一类燃气轮机发动机零件一般具有相对复杂的形状，通常需要在狭窄受限的空间内进行凹槽的仿形车削。这些零件的材料一般可加工性较差。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的要求，这就需要专门开发相应的刀具和加工方法。其中，宽槽仿形加工在整个切削时间中占据较大比重，因此人们便会格外关注专用于此领域的最新刀具技术。

特殊形状的切削

当然出于强度原因，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自然成为首选的解决方案。圆形切削刃具有很多优势，如具有最为坚固的切削刃、允许采用更高的进给量以及能够生成合适的表面质量。因此，圆刀片在此加工领域的应用增长极快，这也具体反映了最近在刀片槽形和材质开发方面所获得的巨大成功。

几乎所有刀片都有刀尖圆弧半径，在这点上，圆刀片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。 对于以上这些刀具类型，最佳的刀具切削路径、圆刀片的尺寸以及工件的轮廓半径是密切相关的（图1）。

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。如对于同样的刀片材质和槽形，选择正确的切削刃（刀片）形状可以使刀具寿命延长8倍。此处所说的工件材料可加工性较差，对于这些具有很高强度和耐热属性的材料来说这是个折中选择。切削力和切削区温度要高于其他材料；切削刃上的压力集中在较小的切削区域且变化剧烈，造成刀具在局部区域的磨损剧烈；并且切屑形状也不利于切槽时的排屑。此外，为耐热合金所选择的刀具应该与切削钛合金的刀具有所不同。

仿形加工这些零件上的凹槽时值得进行优化的地方很多，不仅可缩短加工时间，还能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。在为随后的粗加工或精加工工序选择最先进和最合适的圆刀具（刀片）后，接下来就是对切削参数进行优化。此举是为了控制切削热、改善刀具寿命和切屑形成。

当提到使用圆刀片时，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的影响。这就需要选择合理的进给量以便形成足够厚的切屑，而又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的切削速度限制值。对于陶瓷刀片，需要谨慎的平衡所产生的切削热：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。对于硬质合金刀片，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，而此时刀具寿命会稍有降低。

圆刀片的选用

能否具有0°～90°连续可变的主偏角，具体取决于参与切削的切削刃长度。 圆刀片具有最为坚固的切削刃，且对走刀方向限制较少。对于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，采用圆刀片时可获得令人满意的最大切削深度应为刀片直径（IC）的25%（对应于60°的主偏角）。过大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%（对应于45°的主偏角）或更低时，就可以获得最佳性能。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提高进给量的潜力。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比值介于0.05（对应于26°主偏角）和0.15（对应于45°主偏角）之间的进给量，修正系数为2.3～1.4。

可见，使用圆刀片时，切削深度与刀片直径之比对金属去除率、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都具有相当大的影响。

车削凹槽时的刀具选择

合适的排屑是成功的关键因素之一。对于钛合金，通常希望得到的是切屑宽度要小于刀片（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，因而较难形成更窄的切屑，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。

这里所指的零件需要进行很多宽槽加工，这样就有机会通过应用最合适的刀具和走刀路径对切削进行优化。毫无疑问，所有凹槽都有侧壁。如果不采取相应措施，刀具在切进侧壁时会导致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：其主偏角从低于45°快速增至100°——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（图2）。

“滚入”/“滚出”式的切削

对于使用圆刀片的车削，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于过渡圆角半径的刀片直径，这样使刀片不同时加工侧壁和过渡圆角部分，从而减少切削刃与工件的接触长度。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，用“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。

至于刀具的切削路径，其编程半径应该不大于刀片直径。一般来说，应将宽槽加工划分为若干仿形切削的集合。此举是为了在最佳的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。摆线车削具有恒定的走刀循环，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，可以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

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于车削耐热超级合金来说至关重要。作为陶瓷刀片的补充，山特维克可乐满公司最新推出的硬质合金刀片取得了很大的进展。

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，使其能承受更高的切削温度，具有很好的耐磨性。当然，该材质可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避免出现塑性变形。

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得到了完善。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。

在槽形方面，已开发出圆刀片和圆弧刃口切槽刀片（如SM和RO）来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。

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