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新闻资讯

航空发动机零件高效精密磨削技术的发展与应用(一)

河南磨澳超硬材料有限公司 2016/3/15 14:55:49 27

  航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”,其设计、材料与制造技术对于航空工业的发展起着关键作用。先进的航空发动机是体现一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一,发达国家历来都将它列为国家的战略性产业而加以重点发展 。现阶段,为了满足超高速、高空、长航时、超远航程的新一代飞机的需要,同时也为了提高航空发动机的可靠性和推力,其零件(如盘、轴、叶片、齿轮、机匣等)不仅广泛选用钛合金、镍基高温合金等高强韧性难加工材料,而且结构越来越复杂,加工余量非常大,加工精度要求越来越高,为此对制造技术提出了更高的要求 。传统的切削加工方法已经难以完全满足现阶段航空发动机零件高效精密加工的技术需求。

  

  航空发动机零件高效精密磨削技术存在的主要问题

  以众多磨粒在结合剂把持下实现的无数微切削、进而从宏观上完成工件材料去除的磨削加工长期以来一直属于精密加工的范畴。近年来,随着以缓进深切磨削、高速超高速磨削、高效深切磨削为代表的高效精密磨削技术的出现,磨削与切削的这种传统的“粗切精磨”的分工模式已经发生了显著改变。磨削加工在获得零件要求的加工精度的同时所能提供的去余量能力在很多情况下可以超过通常的切削加工,甚至可使材料加工性从根本上发生难易逆转。高效精密磨削技术在以钛合金、镍基高温合金等高强韧性难加工材料为主的航空发动机零件制造中显示出广阔的应用前景。

  图1列出了钛合金、镍基高温合金的磨削加工特点。磨削温度高、磨削力大、砂轮易粘附、磨削表面质量难以控制是现阶段普遍存在的现象,由此导致的磨削效率低、工具寿命短、质量稳定性差已成为航空发动机零件高效精密磨削加工所面临的共同问题。

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                     图1 钛合金、高温合金磨削加工特点


   航空发动机零件高效精密磨削技术的发展现状与应用

   为实现航空发动机零件的高效精密磨削,国内外多家单位在磨床、工艺、工具、冷却等方面开展了技术研究与应用推广工作。以下将主要从工艺、工具、冷却3方面对高效精密磨削技术的发展现状进行介绍。

   1 高效精密磨削工艺技术研究

   所谓高效精密磨削,是指通过增大切除深度或工件进给速度而达到提高材料去除率的磨削技术。它在保证加工质量的前提下,还可以达到和车削、铣削同样的材料切除率甚至更高,通过一次装夹即可完成大余量或复杂型面的加工。表1列出了现阶段典型高效精密磨削工艺的参数范围。


                    表1 现阶段典型磨削工艺的参数范围

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   (1)缓进深切磨削

   缓进深切磨削也称蠕动磨削,是最早开发的一种高效精密磨削工艺。采用普通的刚玉磨料砂轮,在常规磨削速度条件下,通过每次几至几十毫米的切除深度,20~300mm/min的缓慢进给速度开展磨削[3-4]。对于钛合金、镍基高温合金材料零件而言,缓进深切磨削的加工精度可达到0.001mm,表面粗糙度Ra可达0.4~0.2μm,材料去除率通常为1~5mm3/(mm·s)。缓进深切磨削技术已广泛应用于加工各种成型面和沟槽,如航空发动机的叶片榫齿榫槽、齿轮等。但是,如何解决缓进深切磨削过程的突发烧伤以及

剧烈磨损是主要问题。

   (2)高速超高速磨削

    20世纪30年代德国Carl. J. Salmon提出的关于切削速度与切削温度之间关系的假设为磨削加工朝着高速超高速发展指明了方向,而金刚石与CBN超硬磨料砂轮的出现则为高速超高速磨削技术的发展提供了必要条件 。高速超高速磨削能实现现代制造技术所追求的两大目标,即提高生产效率和改善产品质量。实践证明:若将砂轮速度由35m/s提高到80m/s时,生产效率可提高30%~60%,砂轮耐用度提高0.7~1倍,工件表面粗糙度降低50%左右。


   我国的高速超高速磨削研究起步较晚。目前高速超高速磨削在航空发动机零件(如叶片、涡轮盘)生产领域的应用验证工作已取得一定成果。

   (3)高效深切磨削

   高效深切磨削是当前先进磨削加工技术研究的热点和前沿,相关的砂轮设计、磨削力-热及其耦合作用、大功率磨床主轴以及材料去除行为等是主要的研究内容。

   2、高效精密磨削砂轮技术研究

   砂轮是磨削加工中最重要的一类工具。传统的碳化硅和刚玉普通磨料砂轮由于耐磨性差、切削能力弱已不能完全满足当前高速、高效、高精度的磨削要求,金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬磨料砂轮的应用已成为当今磨削领域的亮点,被誉为磨料磨具行业取得的一项具有里程碑意义的突破性成果。特别是CBN磨料虽然硬度低于金刚石,但该磨料对铁族元素有较大的化学惰性,特别适合镍基高温合金、钛合金等难加工材料的磨削加工。例如,前期在进行高温合金轴花键磨削工艺研究过程中,采用陶瓷刚玉砂轮进行试验,发现砂轮磨损剧烈而需频繁修整,同时砂轮左右两侧磨损不均匀,易导致花键齿型超差、磨削效率低、加工质量一致性差。通过选用新型单层CBN成型砂轮,不仅节省了砂轮修整时间,而且有效解决了砂轮磨损不均匀的问题,花键齿型磨削效率和精度满足要求,如图2所示。

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