对涡轮转子进行磨削加工

张国耀

对涡轮转子进行磨削加工
John R. Besse and David Graham

       对于许多航空工业的元件而言，尤其是当今更轻质、更坚韧和更坚硬的材料，采用磨削加工系统可以比铣削和拉削加工具有更高的生产效率。根据Massachusetts省Worcester市Saint-Gobain Abrasives’Higgins磨削技术中心所做的试验表明，如果结合采用最新的磨料和粘结技术，那么当该系统的加工方法应用于蜗轮转子根部形槽的磨削加工时，可以获得非常理想的加工效果。
       在坚硬的航空材料上，磨削加工复杂的形状具有很高的生产效率，因为磨削加工的材料切削率很高，需要二次操作的工作量也很少。在这里，沟槽轮廓的精加工采用形状复杂的CBN立方氮化硼砂轮磨削（图1）。航空涡轮机根部形槽的轮廓具有非常复杂的特点，其尺寸公差要求达到μm级的水平（图2）。

图1 在坚硬的航空材料上，磨削加工复杂的形状具有很高的生产效率，因为磨削加工的材料切削率很高，需要二次操作的工作量也很少。在这里，沟槽轮廓的精加工采用形状复杂的CBN立方氮化硼砂轮磨削

       当今更轻质、更坚韧和更坚硬的合金和陶瓷材料，采用传统的方法，例如采用铣削和拉削一类的方法，是很难加工的。此外，对精密尺寸公差的要求（达到μm级水平）、工件的复杂几何形状以及对工件的超精密加工要求，促使航空工业制造商和其他精密元件生产制造商，采用数控磨床作为产品精加工的最好的加工方法。
2 u6 v0 }, ]4 S2 r       那么一个加工车间如何使用磨削方法来满足上述全部要求呢？答案就是要求在磨削过程中，遵循“系统方法”，而不是采用一种零散的加工方法，制造商应该注意观察各个因素，例如像砂轮、操作参数及机床本身与整个系统中零件的相互关系。

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! V0 \- d0 o! A% F图2 航空涡轮机根部形槽的轮廓具有非常复杂的特点，其尺寸公差要求达到μm级的水平

       根据麻省Worcester市Saint-Gobain Abrasives’Higgins磨削技术中心所做的试验表明，如果结合采用最新的磨料和粘结技术，那么当该系统的加工方法应用于蜗轮转子根部形槽的磨削加工时，可以获得非常理想的加工效果。在适当的地方采用磨削系统时，与采用拉削加工相比，其调试时间约为拉削系统调试时间的1/20，而加工周期约为1/3；而且发生毛刺的现象减少了一半，大幅度降低了报废率，同时工具的成本费用减少了50%。
出现重返磨削加工的趋势
& b  A  }& y: L: D9 U       近年来，人们在努力使用硬态车削和高速加工方法来代替磨削加工，并且取得了相当的成功。然而实践证明，对于某些零件的形状和材料而言，采用这些工艺加工是很不经济的，因为刀具的磨损比较严重——这使得保持工件的加工精度比较困难，并导致刀具成本增加。磨损的刀具会损坏零件的表面，从而影响产品的可靠性。有些制造商已经遇到了在硬加工中存在的这些问题，为了满足规格要求，他们只好重新返回到磨削加工。
       其他制造商，特别是那些航空工业制造商，继续稳步地从通用等级的钢材转移到特种合金钢、复合材料和陶瓷材料的加工。一般认为镍、钛、粉末冶金、不锈钢、微晶粒和高强度合金是很难加工的，这是由它们的特性决定的，因为这些材料将应用于特定领域。然而，由于对磨削系统如何进行总体管理有了一个新的理解，再加之该技术本身的进一步发展，因此与其他技术相比，采用磨削工艺可以使这些材料的加工更快且更可靠地接近公差尺寸，同时又能保持优良的表面完整性。
因为这些材料大多应用于喷气式发动机中，任何表面完整性的改善将有利于提高发动机的可靠性并降低维修费用。同时，在汽车、轴承、齿轮、医疗元件及工具和模具行业中，为了满足提高性能和可靠性方面的需求，也要求采用新的材料和新的生产方法。
5 C% e% x  `& T       一般来说，采用磨削加工技术可以比其他切削工艺生产出更好的表面质量和更精密的公差尺寸。还有另一个优点往往被忽视，即因为磨削加工的切屑很小，因此其产生的毛刺也比较少。在加工形状复杂的高强度、可延性材料时，这一优点尤为明显。在这类加工工艺中，去毛刺加工所需的费用可能相当或超过通常的加工操作费用；因此，所产生的毛刺越少，就有可能大幅度降低去毛刺所需要的加工成本。
  T6 a! C( e" n* u4 f探究问题的实质
3 M% D& h, @' ~/ O9 n       近年来，Saint-Gobain Abrasives公司一直与飞机涡轮机生产工业合作，以提高涡轮机转子根部形槽的切削工艺水平。一般来说，涡轮机转子生产厂商采用铣削和拉削加工相结合的方法切削这些形槽。

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航空发动机大量形槽需要精密加工

        有三个因素清楚地表明，采用新加工工艺是完全必要的：
1.由于要求降低重量与推力之比
       提高燃油经济性，新的涡轮机设计规定要求采用新的超级合金，这种材料甚至要比目前应用于转子的材料更难加工。
2.新的发动机投入生产时，要求采用售价更高的拉削工具
! \2 V3 |- w. y1 d/ [  k# ]7 b& J: k2 ^       由于拉削工具的复杂性，能够提供这类工具的供货商十分有限，因此交货时间很长。而且这种拉刀在加工新型材料时，其延续使用寿命并不是很长，需要频繁地返修重磨。
3.许多拉床已经老化
3 U* x/ v( i3 E* @0 u8 W       老化的拉床需要在不久的将来更换或返修重建。在切削加工这些形槽的过程中，为了更换拉削工艺，St. Gobain Abrasives公司试验并开发了一种磨削加工工艺，这一工艺采用电镀立方氮化硼（CBN）砂轮工具。之所以选用CBN材料，因为其具有很高的导热性和耐磨特性，在磨削镍合金时，可大幅度延长工具的使用寿命。之后对一台带有高回路刚性的数控机床进行改造，用于模拟最终的生产工艺。研究人员通过对公称力、切向力、功率消耗和其他因素进行测定，研究了各种砂轮工具在不同参数下的性能；同时也试验了不同配方的冷却液和应用技术。对砂轮工具的结果进行分析和重新设计以后，进入到准备试生产的最后设计阶段。
. T; P' e" G& O       这些试验表明，采用CBN磨削工艺在100CR6钢材上加工1in（1in=25.4mm）宽、0.5in深的侧面平直的沟槽时，能够使材料的切削速度达到20in3/min（1in3=1.63871×10-5m3）以上。在加工4340钢材时，其切削速度可达到10in3/min以上。而加工M2工具钢（64HRC）和Inconel 718镍合金钢时，其切削速度分别超过5in3/min和2in3/min。在其他试验中，例如采用类似于侧向或侧面铣削的单点刀具操作加工，当其切削深度为7/8in时，加工100CR6、1018钢、 4340钢和Inconel 718合金钢的材料，其切削速度只能达到0.08in3/min。
       以上试验结果表明，采用CBN磨削工艺代替拉削工艺可以节约调试时间95%，节约加工周期时间66%。磨削加工所产生的残余应力也比较少，有利于提高涡轮转子的寿命，使产品报废率降低50%；此外还有一个优点，即可以大幅度减少转子去毛刺和精加工的时间，从而降低生产成本。
! u* M0 z7 `1 [7 \2 E       据St. Gobain公司估计，这项技术的开发可以为制造商每年节约数百万美元之多的资金；当然，实际节约的数字取决于生产量的大小。然而，要想获得这样的结果，需要增加投资，将现有的生产技术转变成新的磨削加工工艺。只有通过采用系统的方法，检查整体生产成本，才能证实这一技术转换的合理性，因为只有将磨削工艺看作一个成套的系统时，才能获得这样的结果。该系统的每一个部分都必须根据特定的材料进行设计，以达到预期的经济和技术要求。

罗宾斯

CBN磨具和PCBN刀具在航空材料，高合金材料上应用越来越多！

CPsnake

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楼主啊，怎么看不到图呢？