航空发动机模具的高速铣削

叶片是航空发动机的主要零件，其特点表现为形状和载荷情况十分复杂，且尺寸大小相差悬殊。一般来说，叶片的加工工作量占整台发动机加工工作量的30%~40%[1]。叶片的主要制造工艺过程分为毛坯制造和机械加工两大阶段。叶片毛坯的制造一般有铸造和锻造2种。铸造工艺多用于涡轮工作叶片和导向器叶片，特别是空心叶片，目前已由普通铸造发展为熔模精密铸造。锻造叶片最大的优势就是叶片强度高，但锻造模具的加工难度大，费用高。叶片锻造工艺也已由半精锻逐步发展为精锻。无余量精密锻造叶片成为今后压气机叶片制造的发展趋势。

由此可见，叶片精密铸模和精密锻模是叶片制造的重要工装。精铸模和精锻模的型腔曲面与叶片曲面配对，形状复杂；种类多，批量小；材料的可加工性差，尤其是锻模。据统计，叶片模具的设计和制造周期占整个航空发动机设计制造周期的30%[2]，对发动机的制造质量、生产周期、制造成本有直接影响。

高速切削具有高效、高精度、能切削高硬材料、工件表面质量高等一系列优点。虽然在机床、刀具方面的一次性投资较高，但综合考虑叶片模具的生产效率、成品率、使用寿命以及磨损后的可修复性，高速铣削仍是解决航空发动机叶片模具高效、低成本制造问题的最有效方法。

迄今，高速切削技术在航空制造业、汽车制造业、模具工业中应用最为广泛并最为成功。在航空制造业的应用，主要集中在飞机整体结构件和航空发动机高硬合金零件（主要为叶片）的高速切削上，而有关航空发动机压气机叶片和涡轮叶片模具的高速铣削技术和工艺，关注者不多。

叶片模具机械加工工艺分析

1 材料分析

叶片材料有铝合金、钛合金和不锈钢，其精铸模具或锻造模具的型体和型芯，材料一般为合金钢并经过淬硬处理（即淬硬钢），如5CrNiMo。淬硬钢一般指经过淬火并回火后硬度达到HRC 50以上的钢[3]。淬硬钢材料的硬度高，耐磨性好，塑性差；导热性能差，导热系数约为45钢的1/7。淬硬钢材料的硬度和强度取决于组织中马氏体的含碳量。

叶片模具材料的这些因素给切削加工带来以下困难：（1）单位切削力大，加工困难，且切削过程的平稳性较差；（2）材料导热系数小，切削温度高，使刀具磨损严重，而组织中回火后呈弥散分布的细小碳化物加剧了刀具的磨损；（3）工件硬度和切削速度是影响切屑形态的主要因素，在一定速度条件下，淬硬钢切削时易产生锯齿状切屑，造成切削力的循环变换和高频振动，工件表面质量差。

常规速度的铣削难以直接加工淬硬钢，过去常采用电火花加工和磨削加工，效率低。高速铣削可以加工硬度HRC60，甚至更高的工件材料，可直接加工淬硬后的模具，因为[4]：

（1）由于切削机理的不同，高速切削时切削力降低，加工容易，且切削变形小；

（2）高速切削时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，传给工件和刀具的热量大幅度减少；

（3）工作平稳，振动小，零件的加工表面质量高，原因有2个方面：高速切削时，机床的激振频率高，远离了工艺系统的固有频率，避免了颤振；切削力是切削过程中的主要激励源，切削力降低使得激励源减小。采用高速切削，不但可大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。

2 工艺分析

由于航空发动机叶身型面是由基元叶型按一定的积叠规律积叠而成的空间曲面[1]，形状复杂（见图1），因此其精密铸模和锻模的型腔曲面也是复杂的自由曲面[5]。型腔曲面宜采用数控多轴铣削方法进行加工。

图1 航空发动机涡轮叶片

传统的叶片模具加工路线为：毛坯退火-粗铣-半精铣-淬火和回火-粗磨-电火花加工特殊部位（型腔、尖角）-精磨-钳修。在该工艺流程中，淬火后只能进行磨削加工和电火花加工，热处理产生的变形也必须由电火花或手工进行修复。手工加工时间要占整个加工周期的很大部分，生产效率低。

若采用高速铣削方法，则其工艺流程为：毛坯退火-粗铣-半精铣-淬火和回火-高速铣削-钳修。

不同的加工方法和机床、不同的工件材料，对应的高速切削速度范围不一样，所以很难对高速切削的速度范围给定一个确定的数值。依据萨洛蒙高速切削假说以及高速切削机理的研究结果，在高速切削速度范围内，切削力下降，工件的温升较低，热变形较小，刀具的耐用度提高。一般，工件材料硬度越小，高速切削速度越高。对于淬硬模具钢，高速切削速度应为300m/min左右。

高速铣削淬硬模具钢时，达到一定的切削速度后，刀具与工件接触区域的温度将保持在700℃左右，不再继续升高；工件的平均温度保持在190℃~225℃之间[3]。这可以采用很高的切削速度、较低的每齿进给量和切削深度直接高速铣削淬硬模具钢的重要依据。

高速铣削除了提高切削效率之外，还会带来如下优点：

（1）加工费用低。高速铣削取代电火花加工，可直接加工淬硬后的模具型腔。这样既省去了电极材料、电极加工编程和加工，又节省了电极加工过程所需费用。材料去除率可与电火花加工相媲美, 甚至更优, 可获得更好的表面质量。例如，某锻模材料硬度高达HRC54，型腔精加工若全部由高速切削来完成, 加工时间为88min。如果按照以前的工艺, 从生产电极、电火花加工到抛光大约需17h。

（2）模具寿命延长。高速切削避免了电火花加工在加工表面留下白硬层（重铸层）的缺陷。白硬层对模具寿命，特别是在压铸和锻造等高应力状态下使用的模具是十分有害的。模具寿命的提高还有另外一个原因，在传统的加工工艺中，电火花加工去除的型腔余量较大。模具材料的淬透性较差，模具心部与外表的硬度相差较大，当加工的余量较大时，模具心部硬度较低处就成了加工后的外表面，导致该处强度与硬度下降，使用寿命下降。

（3）减少了手工休整工作量。由于高速铣削切削量减小，可以使用更小直径的铣刀对小的圆角半径和模具结构的细节进行加工，节省了部分加工和手工钳修工作。手工修整时间的减少和生产工艺简化对缩短生产周期的贡献甚至超过了高速切削速度提高带来的价值。获得的表面粗糙度可以达到Ra0.5，可以与磨削媲美。