新一代航空发动机总共有3 万多个零件,涉及230 多种不同标准的材料,与加工制造相关的特点具体如下: 零组件结构复杂: 风扇/ 压气机/ 整体叶盘叶片属于典型的自由曲面零件,结构复杂、刚性差,加工过程易变形,需要高性能多轴数控加工设备;风扇/ 压气机/ 燃烧室/ 涡轮/ 中介机匣需要高精度多轴坐标镗、高精度立式车/ 磨数控装备、电解或线切割装备;压气机转子组合后叶尖高速磨削和机匣组件高精度立式磨削设备;盘类零件辐板、周向榫槽、轴向深孔等形状复杂,需采用车铣磨复合、拉削、成形磨削等特殊设备或新工艺装备;燃油喷嘴杆芯/ 活门安装座/ 外壳油路和冷却型腔复杂,需要增材制造设备,其活门组件很多小微零件的形位公差甚至到亚微米级,需要车铣磨一体复合加工设备;整体叶盘修复需要线性摩擦焊设备,而高压涡轮盘轴组件、高压压气机转子、风扇盘所需要的惯性摩擦焊设备,对发动机减重和提高耐高温性至关重要。
在实际加工中刀具的选择应考虑以下几个因素:工件材料、工件形状、加工要求、加工机床、系统刚性以及表面质量技术要求等。 以涡轮机匣零件为例: 1. 从工件材料上分析,变形高温合金、铸造高温合金等难加工材料大量采用,这些难加工材料导热系数小、强度大、切削温度高,易产生加工硬化,切削时刀具磨损快,刀具寿命短,刀具消耗量大,因此必须合理选择刀具几何角度。 2. 从工件结构上来看,壁薄、刚性差、难加工。加工零件凸起部分时,刀具系统容易与零件、夹具干涉,因此,必须对刀具路径进行优化,如插铣加工代替侧铣,空行程快速走刀,优化抬刀位置,采用螺旋插补等方式进行铣削。 3. 从加工工序上分析,机匣需要经过粗加工、半精加工、精加工,为了节省刀具费用,在制造这类零件时,粗加工时可采用高性能陶瓷铣刀,半精加工和精加工时采用标准硬质合金刀具和非标高性能专用刀具,这样可显著提高生产效率。 4. 从加工经济性方面上来说,刀具配置方案需要不断改进,尽量采用刀具商最新研发的产品。
航空发动机的涡轮盘、整体叶盘、涡轮叶片等零件的材料大多为钛合金和镍基高温合金,如图所示,由于大多是薄壁件,因此对其制造精度要求极高,对其加工刀具要求亦很高。高温合金加工时由于其切削力大、加工硬化倾向大、切削温度高、刀具磨损严重使其成为典型的难加工材料。 高温合金家族共有的特点:导热性差、弹性模量小、化学活性高和摩擦系数大,还具有其他高温合金不具备的高强度、高韧性和高硬度的特点使得其归属于难加工材料行列。在车削过程中主要表现在切屑与前刀面接触面积小,刀尖应力集中,切削温度高,切屑不易折断并且锯齿化严重,刀具磨损严重,导致加工效率很低,工件加工表面质量较差。