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叶片加工及其所用高效刀具/PALBIT立铣刀

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叶片加工及其所用高效刀具/PALBIT立铣刀
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叶片一般较难直接见到它你可能不熟悉,它却与你时时有关,你在家在单位或外出时的生活如照明、保温、工作所用的各种的动力和服务等需要,都要靠许多叶片驱动汽轮发动机发电得到。你乘坐过的不时从天上飞过的飞机,是靠众多的叶片将燃气的热能通过压缩膨胀转换为旋转的动能驱动涡轮发动机而实现飞行的。

叶片是现代多种发动机的关键零件和最精细最重要的零件之一,它在极苛刻的条件下工作,工作中要承受高温高压、巨大的离心力、交变的拉应力和扭转应力、气流的激振力、高温氧化、腐蚀和振动、湿气和水滴的冲蚀,工况极为恶劣。制成安装后叶片的空气动力学性能、加工的尺寸形状和质量、安装的状况等因素,又直接影响这些发动机的安全、工作质量和效率,也就影响到现代社会生活和工作方式的诸多方面。因此,人们对它进行了多方面研究并投入了大量的资金。各种不同场合应用发动机的叶片都必须采用多种高性能的材料,这些材料需要在室温和高温条件下具有极好的力学性能、抗蠕变性能、抗振减振性能、耐腐蚀耐冲蚀性能、组织稳定性能和较好的工艺性能,因此对它们要求很高。目前多采用钛合金、马氏体不锈钢、因可耐尔耐高温合金,某些条件下还有用到陶瓷复合材料等,这些材料一般都属于难加工材料。叶片的毛坯为锻件和精密的铸件,为了确保它发挥杰出的工作性能,叶片采用了复杂的3D几何形状,更使它的加工难度增大。为了保证加工质量,必须严格对制造工艺各生产环节的加以控制,并尽力地高效高质量加工它们,这也对机械加工提出了挑战。为了应对这个挑战,一些先进的制造公司采用了特殊开发的新型刀具,在多轴数控机床上进行严格要求的加工。

图1 叶片外观图

为高效、高质量地对叶片的叶头、叶身、叶根进行粗加工,PALBIT公司应对此挑战开发了Turbomill,Toromill型立铣刀(图2)。它的特点是:装有不同直径和厚度的独特结构形状的4-8枚圆形可转位刀片。这样立铣刀的转角构成了圆弧,形成圆弧头立铣刀。圆弧头立铣刀的优点是刀片转角处强度大,可承受粗加工巨大的切削力,抗冲击耐磨损性能好,不易损伤,刀具寿命长。在选材方面PALBIT公司针对不同被加工叶片材料及其硬度精选了PHP和PHH两种材料,它们都具有新研发综合性能极佳的PVD涂层。其中PHP的涂层附着力强、硬度高抗裂韧性好、抗粘附、加工表面光洁。PHH的涂层硬度高耐热性特强,依据加工不同的材料,它们还分几个相应的品种,其中PHP530和PHH530特别适用于叶片加工。为改善刀片和整个刀具受力和工作情况,他们又从刀片的结构和几何角度方面进行改进,选择了合适的断屑槽型面结构,既增强了刀刃,同时减少直接承受的切削力。另一方面为使刀片的安装刚性和加工稳定性增强,避免切削时刀片的振动和移动,又着重对刀片和铣刀刀座结构进行了改进,从而使刀片在加工中既耐磨又坚韧稳定,延长了刀具的寿命和工作时间。

图2  PALBIT公司的叶片粗加工用立铣刀及其两种刀片

现代的立铣刀除能加工一般平面立面外,还可使它们斜向进给加工斜面,结合回转余摆线运动扩孔,有能力加工多种型面实现多功能加工,其中圆弧头和球头二种头形立铣刀更适用。模具与叶片等具有复杂型面的零件最常用到这两种立铣刀。球头立铣刀灵活加工范围广,凹凸圆弧均能加工。各种头形的立铣刀在生产效率方面的比较,可以立铣刀转一圈以自身径向移动的距离即周期进给量PF大小来比较(在一定的切削深度ap条件下,PF就是侧进给量ae的数值)。圆弧头立铣刀头部的刚性比球头头部高,大进给时即PF值大时切削力也大,能承受的切削力可高于球头立铣刀,能实现更大的进给量。另一方面据粗糙度理论高度h的计算公式:h≈f2/8R,即粗糙度的高度与八倍的刀尖圆弧半径成反比,与进给量平方成正比。圆弧头立铣刀的转角圆弧比球头、直角头转角大得多,装圆形刀片的圆弧半径R比其他形状刀片、刀尖的圆弧半径更大,故知在同样条件下,它比其他头型立铣刀加工粗糙度低,在保证达到一定表面粗糙度的条件下,进给量也可以达到最大。而在同样的进给条件下,加工表面粗糙度则低得多。故知在加工型面和平面时,圆弧头立铣刀特别是装圆形刀片的圆弧头立铣刀的加工效率和加工表面质量,远高于其他类型的立铣刀。PALBIT公司这种的型号的立铣刀可知不但粗加工效率高,加工出的产品表面粗糙度低,为以后精加工准备了均匀、良好的加工余量和加工条件。

一般装可转位刀片的立铣刀,因为刀片可以更换,能够长期使用,经济实惠。而装多个刀片的,因可同时切削,加工效率更高。粗加工时余量较多,应该尽多使用以发挥其优点。但由于具有多个安装环节,积累的安装误差使整个立铣刀的加工尺寸和形状精度受到影响,整体精度较低。因此有一些公司如三菱公司一方面采用类似图2所示装较少个圆形刀片的ARP型BRP型圆弧头立铣刀,另一方面采用提高圆弧刀片的精度、减少装刀片数量甚至只装一个刀片的方法。效率虽然低一些,但加工的精度易控制,可以达到较高精度。图3例中有装长方形带圆弧头刀片(2-6片)的APX系列立铣刀,装特殊单片带双圆弧刀角刀片的SUF系列的圆弧头立铣刀和装单片S刃形构成的SRF系列的球头立铣刀。SUF的刀片圆弧精度达到±0.010,SRF刀片的精度很高达到了±0.006,它们在一定条件下甚至可以代替整体立铣刀进行精加工。为加工叶片,以上几种刀片的材料和涂层都要求耐磨、耐热、韧性较高,因此所用刀片的基体都采用的超微粒硬质合金,外面再加相应的VP、MP等型号的先进的PVD涂层。其中VP是三菱独自开发的(Al,Ti)N涂层,MP是能大幅度提高强韧性的TOUGH-ΣTechnology复合涂层。它是可以阻止因冲击载荷造成的裂纹进一步延伸的多层涂层,使刀片的抗破损性大为提高。考虑到不同材料加工特性不同,对碳钢合金钢、不锈钢、耐热钢钛合金分别开发出MP6100、MP7100、MP9100三个系列的多层涂层。这三个系列具体多层结构的组成不是完全一样的,它们都有共同的Al-(Al,Ti)N膜层,此层Al含量很高。一般含Al量过多时,会使性能下降,但由于采用了新技术,使它形成为均质相,既提高了硬度耐磨性,还提高了抗龟裂性能切削稳定性。除此层外,针对不同被加工材料,复合涂层的另一层涂层的材质各不相同。在加工碳钢合金钢等的MP6100系列材料时是(Al,Cr)N层,可抗热膨胀和收缩,防止热龟裂。在加工不锈钢等M类材料的MP7100系列是TiN涂层,不锈钢易加工硬化,此层可防止刀刃在工件的切深边界因加工硬化而造成的沟状的磨损。在加工耐热合金钛合金等的MP9100系列时是CrN层,它可防止生成积屑瘤,并造成切削刃的黏附磨损。这三系列外层经处理,摩擦系数都降低很多,这样还降低了切削阻力切削动力提高了排屑性能。这几种立铣刀刀齿数较少,刀杆较细,刚性较差。为提高其刚性,采用了整体硬质合金制造的刀杆。由于所装刀片的圆弧精度的提高,加工精度较高,但由于刀齿数减少,刀片圆弧半径较小,加工效率不及装多个圆形刀片的粗加工立铣刀。

图3 三菱公司的APX、SRF、SUF系列立铣刀及MP系列复合涂层

一般叶片、叶身、叶头的精加工还是多采用了整体硬质合金带优质涂层的圆弧头立铣刀。这方面三菱公司推出了一款特别适合钛合金、耐热合金加工的VQMHVRBD1200R100型圆弧头立铣刀(图4)。它采用的基体材料是强韧的超微粒硬质合金,带有最适宜难加工材料的称之谓SMART MIRACLE独创的涂层,其中含有能大幅度提高耐热耐磨性的(Al,Cr)N,涂层的外表面进行了平滑处理,使切削刃锋利又使切削阻力下降,排屑性能提高在对导热系数小、切削热易集中在切削刃、加工表面易生成挤裂的钛合金加工中,顺畅排屑降低切削热是非常重要的。加工叶片时常用的立铣刀圆弧头半径为1毫米,它的特点是4刃,具有两种不等螺旋角的刀齿,相邻两齿的螺旋角分别为37O和40O,这种结构可有效抑制高频振动,即使刀杆悬伸较长也可实现稳定的切削,获得良好的加工质量。加工叶片时,常用的立铣刀直径是Φ12。

图4 不等螺旋角整体立铣刀

对叶片跟部加工时,由于该处具有复杂的螺旋曲面,需要同时加工侧壁和底角,侧角小且变化,一般的圆弧头、球头、锥形立铣刀虽配合五轴联动数控机床也可以加工,但有局限,效率不高。PALBIT公司应对这个需要研发了两种分段圆弧立铣刀(RAD-INTED),实现了新的铣削可能性。提高了这些复杂表面的加工精度和效率。它们共有两种:一种称显锥型(Conical),它的顶端直径为Ф8-16的球头,后侧圆弧半径800-1200,两部分弧度相差大,形成明显分段锥形;另一种称为切向型(Tangential),顶端为直径Ф6-16的球头,后侧圆弧半径较小,为85、90、95,与球头连接较顺近乎切线,故命名之。这两种分段圆弧锥立铣刀,结合先进的CAM和切削特殊轮毂工艺软件DXF,在五轴联动数控机床上能实现多种铣削加工能力,DXF文件可以从PALBIT公司的网站下载。以之加工出的汽轮机叶片跟部复杂形状,取得了高效和高表面质量,和其他公司同类型的相比,刀具的寿命也高于同类产品,在同样的切削条件下约高出22%左右。

图5 两种分段圆弧立铣刀对叶片的加工

新的分段圆弧立铣刀兼有圆弧头球头立铣刀的优点,结合五轴加工中心,可比一般立铣刀有着更广泛的加工能力,可以实现铣出以往难以加工触及的自由表面,可加工更高更深的侧壁。以大圆弧半径侧铣刃加工,可使加工时间大大缩短,而且可获得更高的加工表面质量。以它加工复杂表面,可减少机床主轴的转动和摆动幅度,提高机床效率。按要求选用一定型号分段圆弧立铣刀,并结合选用不同的顶部球头半径后,可广泛用于多种行业复杂型面的高效加工。小小刀具的改进变化,引来一片新的天地。

尚亚国际贸易公司 章宗城

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