高压冷却技术在航空高温合金薄壁零件加工中的应用.pdf

1、 精密制造与自动化 2016年第2期 5 高压冷却技术在航空高温合金薄壁零件加工中的应用 胡增荣1 李俊杰1 孙义林1 赵利润2 徐 华2（1.苏州大学 江苏苏州 215137；2.新宇航空苏州有限公司 江苏苏州 205021）摘 要 通过高温冷却技术在某航空高温合金薄壁零件加工中的应用，解决了由于高温材料强度高，在切削加工的时候，会产生大量的切削热，从而使刀具温度迅速升高、刀具钝化，增加切削抗力，使薄壁零件变形，进而难以保证加工质量的问题。使用高压冷却技术，高压射流可以直接作用于切削区，在高效冷却的同时，冲断并带走切屑，使刀具可以长时间的保持在优良的切削状态，从而有利于减小零件变形提高加工质

2、量。结合某航空薄壁零件的加工，进行了高压冷却技术的实验。实验表明，高压冷却技术辅以其它如夹具的辅助支撑、高硬度刀具等，可以有效加工该高温合金薄壁零件。关键词 高压冷却 高温合金 薄壁零件 机加工 航空航天领域某些零件需要在高温条件下工作，一般的金属合金材料随着温度的升高会迅速软化失效，无法应用到这类场合，所以这些零件就需要采用高温合金制造。所谓高温合金一般是指在 6001200高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。高温合金虽然有优良的高温性能，但也正是由于其热稳定性好、高温强度和硬度高、耐腐蚀、抗磨损等特点，所以其切削加工性能就表现的特别差，是典型的难加工材料。研究表明如以 45

3、#钢(正火)的切削加工性系数比作 1，则高温合金的切削加工性系数大约为 0.050.3 左右，也就是其加工难度是普通碳钢的几倍到十几倍1，2。并且航空零件中还有很多薄壁腔体类高温合金零件，这类零件往往精度要求还比较高，材料本身加工性能就差，零件结构刚性又差，精度要求又高，这给实际的加工制造带来了很大的困难，很多零件不得不以小进给，多次走刀为代价来换取加工质量。本文结合某航空发动机吊架的一个薄壁镍基高温合金零件讨论应用高压冷却技术来在保证加工质量的同时提高加工效率。1 1 问题提出问题提出 如图 1 所示，该零件是某航空发动机的吊架零 件，材质是 Inconel718 镍基高温合金，由图可见该零

4、件属于薄壁零件，结构刚性很差，并且加工要求高，两边壁板上孔的同轴度和两壁板内表面的平行度以及孔的直径尺寸、两内表面距离尺寸公差都非常小。该零件毛坯为模锻成型，各加工面余量留的都非常大，余量最大的地方近 40 mm。并且这是一个基础件，一直以来都是在加工中心上一点一点的切削，最初这个零件从毛坯到成品零件需要 180 个小时才能做完，后来不断的从刀具、夹持方式和切削用量等方面改进，逐渐缩短到目前的 70 个小时。现在的时间主要耗费在精加工上，由于零件材质和结构刚性的制约，无法有效提高精加工速度。现在希望对该零件的加工工艺进一步改进，使现有加工时间再缩短三分之一。图图 1 某发动机吊架零件某发动机吊

5、架零件 精密制造与自动化 2016年第2期 6 2 2 解决设想解决设想 经过综合分析认为，缩短该零件加工时间成效最显著的是缩短切削加工时间，若想缩短切削加工时间，必须减少走刀次数和增加加工时的切削用量，由于零件刚度差，以前是采用增加走刀次数来保证加工精度的。这样就必须解决零件的变形问题和刀具的散热断屑问题，最后经过论证，决定该零件试用高压冷却系统。高压冷却技术在金属切削加工中的使用效果已经在不锈钢、低碳钢等普通材料的切削过程中得到证实，其在难切削材料加工中也已经有良好表现，例如在钛合金的切削加工中。钛合金也是公认的难加工材料之一，研究证明，一般情况下，钛合金粗加工时的切削速度约为 50 m/

6、min 左右，精加工的切削速度为 200300 m/min，如果采用高压冷却后，在不提高切削区温度的情况下切削速度可以提高20%3。Inconel718 镍基合金的切削加工性能比钛合金更差，应该更能体现高压冷却的优越性。所谓的高压冷却是相对于传统的低压浇注冷却方式而言的，传统切削加工冷却液的压力一般只有2 MPa或更低，在加工中当切削区温度较高时，靠近切削区的冷却液汽化，从而极大减弱冷却液与切削区的接触，降低冷却效果。高压冷却切削液的压力一般都设定在730 MPa，高压的切削液从切屑与刀具表面之间直接喷射到切削区，如图 2 所示，形成一个高能量冲击楔，用来缩短切屑和刀刃之间的接触时间和切屑在切削区停留的时间，降低切削区温度，同时通过冷却和高压液体的机械冲击力这两方面的共同作用，迅速使切屑碎断并被切削液冲离切削区排出，从而大大提高刀具的冷却效果，延长刀具使用寿命，改善加工表面质量。如果实际使用效果如预期的一样，可将原有切削速度提高 20%，同时再增加夹具的辅助支撑，提高零件工艺刚度，加大进给量，在精加工时减少走刀次数，这样必然能达到缩减加工工时三分之一的目标。图图 2 普通切削液与高压切