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国际金属加工网 2018年07月27日

对喷气发动机的制造材料要求必定非常严格。因其必须承受极端高温及作用力,并尽可能地轻且极为可靠。

涡轮喷气发动机可被简单地划分为三个部分 – 压气机,燃烧室和涡轮。在空气进入燃烧室之前,压气机对流经发动机的空气加压;在燃烧室里空气与燃料混合,点燃并燃烧。 压气机部件主要由钛合金制成,而燃烧室和涡轮部件通常由镍基超级合金制成,例如Inconel 718。

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一.镍基合金

镍基高温合金具有卓越的物理性能,这一特性使其成为制造航空零部件的理想材料。镍基高温合金适用领域宽,温度谱范围广。该材料具有高屈服强度,高极限抗拉强度,高抗疲劳强度,在高温下保持耐腐蚀耐氧化性的特性。

镍基高温合金,Ni含量35-75%,Cr含量15-22%;满足了飞机发动机生产制造总材料需求的30%;还被用作航天飞机主发动机不同零部件的结构材料。用于制造燃气轮机旋转部件,包括盘类、叶片类、壳体部件(如涡轮机机壳)、发动机支架、火箭发动机部件及泵,占航空航天工业消耗镍基高温合金总量的80%。

镍基合金凭借其性能为喷气发动机零部件材料提供了出彩的选择,然而同时也给加工带来了巨大的困难。因加工镍基合金过程中产生高剪切应力且热传导系数低,使得切削区域的切削力及切削温度非常高。加上镍基高温合金与刀具材料的物理化学反应,引起切屑刮擦及粘焊于工件表面,导致刀具过度磨损,这使得切削速度受限,刀具寿命降低。以上这些特性不仅拉低了材料去除率,缩短了刀具寿命,还使得加工成本大幅上升。

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二.钛基合金

对先进的航空航天系统而言,钛合金具有高强度重量比,出色的耐腐蚀性,钛合金部件使用起来非常趁手。钛基合金Ti含量86-99.5%,Al含量5-8%,几乎不受暴露在航空航天环境下的影响。大量的钛合金材料被用于喷气发动机,钛合金部件占喷气发动机重量的25-30%,主要用于压气机。发动机的高效运行离不开钛合金部件,如风扇叶片、压气机叶片、转子、盘类零件、轮毂和其它非转子部件(例如进气引导叶扇)。

钛合金性能优异、轻质,不仅令航空工程师们得以设计出飞得更高更快的飞机;还使得飞机对极端环境耐受性高。然而,钛本具的物理性能、化学性能及机械加工性能使其一直以来都被视为难加工材料。

钛材料具有相对耐高温性、低热传导性,使得产生的切削热不易从刀具切削区域散导出去,引起刀具过度变形,过度磨损。在高温下,钛合金依然能保持其强度,加工的结果是切削刀具出现相对高的塑性变形,产生深的沟槽磨损。在加工过程中,因钛合金的高度化学反应,导致切屑冷焊于切削刀具上,产生积屑瘤,进而引起断屑问题。

在过去的数年间,伊斯卡在研发方面投入大量的资源以打破以上这些加工困境,优化镍基高温合金及钛基高温合金的加工。其解决方案包括专业推出专用牌号;推进高压冷却技术落地到切削刀具以解决切削热散热问题。

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三.伊斯卡牌号

为实现高金属去除率,伊斯卡研发了以下能实现以200 – 400m/min的切削速度加工镍基合金的陶瓷牌号:

IW7 – 晶须陶瓷牌号,兼具高硬度及高韧性,能以比硬质合金牌号快 8-10 倍的切削速度进行粗加工及半精加工;

IS25 – 强固的赛阿龙(SiAlON)合成牌号,在镍基高温合金的连续切削及轻微断续切削加工中表现优异;

IS35 - 强固的赛阿龙(SiAlON)合成牌号,在镍基高温合金的轻微断续切削及重型断续切削加工中表现出色。

以下合金牌号用于有针对性地开发加工镍基合金及钛合金的刀具:

IC806 – 高强度超细晶粒基体,TiAlN (PVD) 涂层。包括特殊的涂层后处理技术在内的特别的涂层工序,使得涂层更薄更光滑,赋予刀片更出色的镍基合金及钛合金加工特性;

IC804 – 在硬度更高的基体上采用同样的TiAlN (PVD) 涂层,特别设计用于加工最新的硬度高达HRC40-47的喷气发动机镍基合金部件;

IC20 – 非涂层合金牌号,特别推荐用于铝合金及钛合金的加工。IC20主要用于连续切削加工,表现出色。

四.高压冷却刀具

在金属去除领域,高压冷却已存在相当长的时间。今天,尤其是在设定诸如钛合金及镍基合金这类难加工材料的加工工艺时,高压冷却刀具因能显著提高生产率及切屑控制,所以扮演着越来越重要的角色。借助于高压冷却是使得冷却射流精准直达切削区域冲刷出切屑的关键。

伊斯卡是最早对市场需求做出回馈的切削刀具制造商之一,通过研发、生产制造切削刀具以合理地将高压冷却用于降低切削温度,调整切屑流,提供包括JETCUT在内的定制高压冷却刀具。

航空部件OEM/PMA部门不仅需要持续面对成本降低的压力,同时还得保证所制造部件的品质和寿命。而这对所有相关人员而言都是一个巨大的挑战。伊斯卡改进型切削刀具在使得喷气发动机制造商们自如地采用理想的材料生产制造高品质零部件的同时,还将损耗降到最低,效率最大化。

(Yaniv Metz, 切槽加工产品经理.)

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