基于切削力的燃气轮机用高温合金铣削进刀方式

基于切削力的燃气轮机用高温合金铣削进刀方式

符美忠

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摘要：燃气轮机作为航空发动机的重要部件，其性能直接决定了发动机的效率、经济性和可靠性。随着燃气轮机技术的快速发展，叶片、燃烧室、涡轮叶片等核心部件已基本实现国产化。叶片作为燃气轮机重要部件，其加工质量和精度要求较高，是衡量燃气轮机制造水平的重要标志。高温合金由于其较高的热强度和优异的耐腐蚀性能，是燃气轮机用高温合金的首选材料。随着燃气轮机涡轮叶片向薄壁化、高转速、大载荷方向发展，其加工精度和表面质量对加工效率提出了更高的要求。本文从刀具几何角度分析了影响叶片高温合金切削力的因素，并介绍了高温合金切削过程中刀具与工件之间发生粘结或磨损时的进刀方式。

引言：涡轮叶片作为燃气轮机的核心部件，其加工质量和精度直接影响着燃气轮机的效率和可靠性。为了提高燃气轮机的性能，涡轮叶片需要使用高温合金材料进行加工。在燃气轮机中，叶片上主要加工部位包括叶身内腔、叶身和轮毂等，其中叶身内腔是由薄而窄的叶片段组成，叶片段在加工过程中易产生变形、开裂等问题。高温合金具有较高的热强度、良好的耐蚀性能，在切削过程中不会发生粘结现象，因此可以采用较高的切削速度进行加工。然而在实际切削过程中，由于叶身内部结构复杂，极易产生切削热和变形，使得切削力随切削速度升高而增大。因此，选择合理的进刀方式能够有效降低切削力对加工精度和表面质量的影响。

1、叶片材料及加工特点

燃气轮机涡轮叶片材料主要包括镍基高温合金和钴基高温合金，其中镍基高温合金已基本实现国产化，钴基高温合金在燃气轮机叶片上的应用仍处于试验研究阶段。目前，镍基高温合金材料主要用于制造叶片毛坯，其性能要求见表1。由于镍基高温合金具有较高的抗氧化腐蚀性能和良好的综合力学性能，是燃气轮机用叶片的首选材料。其中，高温合金的强化相为γ′相，在600℃以上的高温下有较高的强度和耐磨性。与镍基高温合金相比，钴基高温合金具有更好的抗氧化腐蚀性能，在600℃以下具有良好的耐腐蚀性能。在燃气轮机中，钴基高温合金主要用于制造涡轮叶片毛坯。

相比于镍基高温合金叶片材料，钴基高温合金叶片材料加工过程中会产生大量热变形，并且加工余量较小且分布不均匀。同时，其切削力较大，切削过程中易出现刀具粘结、刀具磨损等现象。

2、刀具几何参数

影响铣削加工中切削力大小的因素有很多，其中最主要的因素是刀具几何参数，包括刀尖圆弧半径、刀尖角、主偏角和副偏角等。其中，刀尖圆弧半径和主偏角对铣削加工过程中刀具与工件之间的摩擦有显著影响，而副偏角对铣削过程中刀具与工件之间的摩擦影响较小。刀具几何参数主要包括主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径、主偏角等。

其中，刀具主偏角与工件材料有关，在保证工件材料抗弯强度的情况下，以最小切削刃所承受的主偏角值作为目标选择最优主偏角值。在选择主偏角时，应综合考虑加工过程中的工艺参数及生产效率等因素，选择最佳的主偏角。在实际加工过程中，铣削过程中的主偏角一般在45°~90°范围内选取。

3、切削力

切削力是指切削过程中，刀具对工件材料的切向作用力，是一个动态参数，它随时间的变化而变化。切向切削力由主切削力 Ft、副切削力 Fa、刀尖圆弧半径 rf、刀具前角α1和刀具后角β1等因素决定。研究表明，增大主切削力 Ft对改善叶片加工质量有利；增大副切削力 Fa对改善叶片加工质量有利；增大刀尖圆弧半径 rf对改善叶片加工质量有利；减小刀具前角α1和后角β1有利于提高叶片加工质量。在一定范围内，增大切削速度有利于提高叶片加工质量，但超过一定范围后，切削速度和切削深度都会影响切削力，过大的切削速度会产生过大的切削热，易引起刀具损坏或工件变形，过小的切削速度则会使切削力不足。

4、进刀方式

针对不同的进刀方式，铣削时切削力的变化如图7所示。当刀具与工件发生粘结或磨损时，刀具与工件之间会产生摩擦，从而使切削力发生变化。同时，切削力的变化也会影响切削过程中工件的变形情况，进而影响加工质量。

一般情况下，当进刀方式为前角为0°或1°时，切削力较小；当进刀方式为前角为2°时，切削力较大；当进刀方式为前角为5°时，切削力最大。

采用正交铣削时，采用对称的两把刀分别铣削工件的正反两个面，刀具的直径比工件直径大0.5 mm，刀具前刀面上每齿进给量分别为0.25 mm、0.5 mm和0.75 mm。

采用变进刀方式时，在第一把刀铣削完成后，可采用等进给或等切削速度铣削第二把刀。通过增加刀具后刀面上每齿进给量的方式来减小每齿进给量对切削力的影响。

5.高温合金铣削进刀方式的研究进展

高温合金的铣削加工是一项具有挑战性的任务，因其硬度高、耐热性好。在这方面，进刀方式的选择对于加工效果和工件质量有着至关重要的影响。本文将介绍基于切削力的进刀方式研究方法，并总结不同进刀方式的切削力对比实验结果。基于切削力的进刀方式研究方法主要包括两个方面：实验研究和数值模拟。实验研究方法通过搭建高温合金铣削试验平台，采集切削过程中的切削力信号，并进行数据分析和处理，以获得不同进刀方式下的切削力特征。数值模拟方法则基于有限元分析原理，通过建立合适的材料本构模型和切削力模型，模拟高温合金铣削过程中的切削力分布情况。对于不同进刀方式的切削力对比实验，研究人员通常会选择常用的进刀方式，如常规进给和爬行进给。通过在相同工件和刀具条件下进行实验比对，可以分析不同进刀方式对切削力的影响。实验结果表明，爬行进给方式相比于常规进给方式在高温合金铣削中能有效减小切削力，降低切削过程中的温度和应力，并提升铣削表面质量。

总而言之，高温合金铣削进刀方式的研究进展主要集中在基于切削力的研究方法上。研究人员通过实验和数值模拟相结合的方式，探究不同进刀方式对切削力的影响，并发现爬行进给方式在高温合金铣削中具有较好的性能表现。这些研究结果对于指导实际加工中的进刀方式选择和提高高温合金铣削加工效率具有一定的参考价值。

结束语

本文从刀具几何角度分析了影响燃气轮机用高温合金铣削的主要因素，并介绍了铣削过程中刀具与工件发生粘结或磨损时的进刀方式。随着燃气轮机技术的不断发展，叶片结构也在不断优化，其加工质量和精度对燃气轮机的性能和可靠性提出了更高的要求。目前，燃气轮机叶片主要采用传统加工方法，主要有机械加工和手工加工。随着我国燃气轮机技术水平的不断提高，越来越多的叶片结构采用数控铣削加工方法完成。在数控铣削过程中，由于叶片高温合金材料的特殊性，以及机床主轴和刀具的刚性不足等问题，使得刀具与工件之间发生粘结或磨损时无法继续切削加工。因此，急需研发高性能、高可靠性、长寿命的高温合金加工刀具，以适应复杂曲面高温合金叶片结构铣削的要求。

参考文献

[1]刘艳华，王明生，王宇平，等。基于刀具几何参数的燃气轮机叶片粗加工技术研究[J]。金属切削加工，2011,（03）：47-47.

[2]唐子奇。高温合金铣削变形机理及控制技术研究[J]。中国机械工程，2016,（11）：34-35.

[3]陈俊伟。基于切削力的高速铣削高温合金机理及应用研究[J]。工程热物理学报，2017,（02）：689-699.

[4]吴军。高速切削中的切屑形态及形成机理研究[J]。科技导报，2014,（06）：68-70.