航空发动机零件的整体化、结构化、轻量化是大推比发动机的重要设计特性之一。整体结构件具有减重、减级、增效并提高可靠性的优点,符合航空发动机零部件易维护、高可靠性和长寿命的服役需求。 例如将压气机盘和轴颈设计为一体的压气机盘,将转子叶片和压气机盘设计为一体的整体叶盘等。整体结构零件结构复杂,和原单体零件相比装夹定位效果明显削弱,使得零件刚性减弱,加工中容易产生振颤。因而加工中零件个别部位容易产生变形,几何尺寸和表面质量受到一定程度影响。单体叶片加工时可以夹紧叶片的轴颈部位,同时用顶尖顶住叶冠,一个方向夹紧,一个方向支撑。整体叶盘铣削叶片时只能以夹紧轮毂的前后缘板,叶冠无支撑,叶片在悬臂状态下加工,工艺性明显劣于单体叶片。因此整体结构零件基本上融合了原来两个单体零件,盘和叶片的加工难度。
复合加工工艺注意要点: (1)防止加工中出现干涉。由于车铣复合加工中心增加了铣削加工时的主轴刀具回转功能,使其不同于原来车床的滑枕加刀夹结构,显得较为庞大。在加工零件时,必须要考虑是否会与零件、夹具、机床工作台(或转盘)产生干涉与碰撞。解决的方法是,应用几何虚拟仿真技术,虚拟仿真软件环境建立零件、夹具、机床工作台(或转盘)和机床铣削主轴准确的三维数据模型,运行数控加工程序,检查刀具轨迹是否过切,判断铣削主轴是否与零件、夹具以及工作台干涉,并根据干涉具体情况采取有效措施予以调整,通过加长刀具刀杆的长度,加高夹具的高度,使铣削主轴有足够的运动行程空间。 (2)工艺路线编排合理。车铣复合或铣车复合工序尽量安排在零件的精加工阶段,也即零件的最终成形加工阶段。粗加工或半精加工工序安排在常规设备上进行。这样既可以规避高端设备资源紧张的情况,又最大化的将车、铣、钻、镗等多个工艺集中,一次性加工完成工件大部分加工,提高零件的加工精度。
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。