整体叶盘高效加工技术与刀具应用分析

陈树巍

（中国航空制造技术研究院，北京 100024）

1998年以来，我国进入了航空大发展时期。近几年随着各种新型号军、民机先后升空，我国对自主先进大推力航空发动机的需求与日俱增。发动机是飞机的心脏，被誉为工业皇冠上的明珠。其制造能力直接标志着国家的顶尖制造水平，现美国和英国牢牢掌控大推力先进航空发动机的关键技术，在行业中呈垄断形式。自2005年“太行”定型后，我国对新型发动机研制及量产有了新的需求，其中，整体叶盘制造更是核心瓶颈技术攻关之一。随着近几年的外来技术引进及国内的制造水平提升，发动机整体叶盘制造技术被攻克，但加工效率低下，远远达不到量产需求，工艺技术及刀具需进一步研发。刀具是机械加工的基本硬件之一，合适的刀具能提高零部件的加工效率、加工精准度，降低生产成本。

1 整体叶盘材料特性及整体叶盘盘铣加工技术分析

1.1 整体叶盘材料特性

整体叶盘是航空发动机的组成之一，整体叶盘的存在能提高发动机性能、减小重量、提高耐久性与可靠性。常见的整体叶盘材料是TC4钛合金材料，该材料属于（α+β）型钛合金，有好的比强及热强度，具有良好的抗腐蚀和抗疲劳性能，同时该材料同时具备α、β双向组织，能进行热处理强化，最大化地提高飞机的使用寿命，降低飞机后期成本。但是，该材料属于典型难加工材料，主要原因有：钛合金弹性模量低，加工中易产生变形；摩擦系数大，刀具易磨损；热导率低，加工时热量不能有效传递，刀具温度较高，处理不当很容易造成粘刀，加快刀具磨损；化学活性高，加工中形成硬化层，硬度大量提升，且易于燃烧。总之，（α+β）钛合金材料虽有良好的使用优点，但鉴于加工难，经常容易出现制造问题，因此选用合适的刀具才能为制造高效的整体叶盘奠定基础。

1.2 整体叶盘高效加工技术

整体叶盘加工技术有很多种，在使用钛合金的基础上对其进行切割的工艺很多，笔者列举四种常见技术进行对比。

1.2.1 电火花加工技术

该技术的优点有稳定性好，适用范围广，叶片刚度高不会轻易变形。缺点有电极容易被损耗，加工后材料附着于变质层难以清理，加工效率有限。电火花加工技术在国内机械制造业主要用于闭式叶盘。

1.2.2 电解加工

该技术的优点有叶片刚度高，不会轻易变形，适用于很多精准度高的难加工材料，效率不错。缺点是稳定性相对较差，生成的电解溶液容易污染环境，难处理。该技术在国内被应用于开式叶盘，整体应用次数不高。

1.2.3 电子束焊接、线性摩擦焊

这种技术主要面向空心叶片整体叶盘制造及整体叶盘修复。应用于普通整体叶盘时，可以有效降低毛坯成本及机加设备占用时间。但是，存在焊接精度不够和变形的情况不能避免，往往需要自适应加工与之配套。现中国航空制造技术研究院已具有一定的工程经验积累，但没有大规模投入实际生产。

1.2.4 整体数控加工

该技术加工精度高，稳定性高，是目前叶盘加工技术中平均耗时最短、效率最高的技术，适用于批生产。常用的加工方案先使用插铣或者盘铣方式进行通道大量去除，后使用球刀进行精加工。缺点是前期对设备、配套软件及工艺人员水平有着较高要求，稳定生产后，刀具的寿命直接影响整体盘的加工效率。

2 整体叶盘高效加工刀具方案

2.1 整体叶盘加工刀具材料优选

高效加工中，刀具成本在总成本中仅占少数比例，故在条件允许的情况下，尽量选用高速高效且耐用的刀具，以提高、稳定加工质量，增加整体加工效率，降低总成本，提高经济效益。针对TC4的特性，刀具中的TiC含量应尽量少，从实践上来看，应选用YG类的硬质合金刀具。随着PCD及PCBN的成熟发展，两者在钛合金加工领域均有较好的表现，配合合理的涂层，可以更大地发挥刀具降本增效的作用。

2.2 刀具结构优化设计

针对不同结构的整体叶盘，需要选用与之对应的刀具。各厂商现有的刀具商品不能满足加工质量、加工效率需求的时候，就需要针对实际情况优化刀具结构，定制刀具。为了让优化的刀具能满足整体叶盘的实际情况，需先建立仿真系统和参数模型，在仿真系统和模型中，人们能快速了解刀具载荷情况，分析易受损部位，通过测量参数确定实际刀具的选用尺寸、刀刃角度、数量、分布等，然后进行大量的切削试验，以验证数据的可靠性。除此之外，还要考虑叶盘的实际情况及编程的复杂程度及工艺性。比如，插铣刀的尺寸是否满足路径规划，是否可以最大限度地去除通道余量；盘铣刀需要切割什么样的凹槽，切割后能否顺利排屑；球头刀的刀杆是否有足够的刚度，是否会干涉等。值得一提的是，刀具结构的优化设计不是朝夕间就能实现的，要通过反复建模、反复试验才能选出最合适的刀具。

2.3 刀具涂层在加工钛合金材料的应用

刀具涂层也是提升铣刀稳定性的手段之一，欧美国家在航空制造业起步价早，很早就开始研究刀具涂层在钛合金材料切削的应用。学者E O Ezugwu、Z M Wang曾使用单层TiN的PVD涂层和多层的TiN/TiCN/TiN的PVD涂层进行切削试验，在同等条件下，单层和多层的刀具表征不一。试验结果表明，单涂层的铣刀在切割后后刀面磨损比多涂层铣刀后刀面磨损重，也就是说，多涂层确实能提高刀具的耐性，多涂层的物质对刀具形成保护层，让刀具有了对抗磨损的能力。随着刀具涂层理论的深化，人们对涂层的内容有了新的看法，推出了软涂层、硬涂层、梯度涂层等。现在主流的钛合金涂层有TiAlN、AlTiN、AlCrN等，企业可根据实际需要选择合适的涂层保护刀具，这是一种养护措施，能降低磨损和维修成本。

3 结语

航空制造业彰显一个国家的制造水平，体现国家技术研发和技术制造的工艺程度，与欧美国家相比我们起步较晚，很长一段时间内在核心技术上受制于人，为了增强我们的制造质量，改变现状必须加强技术应用，提高技术应用的精准度。本文对发动机整体叶盘的高效加工技术和刀具应用进行了研究，从整体叶盘高效加工方案、刀具选材优化、结构优化、刀具涂层几方面分析了自己的看法，选取适宜的刀具能降低磨损程度，延长使用寿命，提高效率及加工质量。尽管目前我们在航空发动机制造业技术研究上确实还存在很多问题，但是笔者相信经过不断努力研究，未来会有更高的进步空间。