伊斯卡直面航空工業噴氣發動機部件制造的挑戰
2018-7-26 來源：伊斯卡 作者：Yaniv Metz, 切槽加工產品經理
對噴氣發動機的制造材料要求必定非常嚴格。因其必須承受極端高溫及作用力，并盡可能地輕且極為可靠。
渦輪噴氣發動機可被簡單地劃分為三個部分 – 壓氣機，燃燒室和渦輪。在空氣進入燃燒室之前，壓氣機對流經發動機的空氣加壓；在燃燒室里空氣與燃料混合，點燃并燃燒。 壓氣機部件主要由鈦合金制成，而燃燒室和渦輪部件通常由鎳基超級合金制成，例如Inconel 718。
一．鎳基合金
鎳基高溫合金具有卓越的物理性能，這一特性使其成為制造航空零部件的理想材料。鎳基高溫合金適用領域寬，溫度譜范圍廣。該材料具有高屈服強度，高極限抗拉強度，高抗疲勞強度，在高溫下保持耐腐蝕耐氧化性的特性。
鎳基高溫合金，Ni含量35-75%，Cr含量15-22%；滿足了飛機發動機生產制造總材料需求的30%；還被用作航天飛機主發動機不同零部件的結構材料。用于制造燃氣輪機旋轉部件，包括盤類、葉片類、殼體部件（如渦輪機機殼）、發動機支架、火箭發動機部件及泵，占航空航天工業消耗鎳基高溫合金總量的80%。
鎳基合金憑借其性能為噴氣發動機零部件材料提供了出彩的選擇，然而同時也給加工帶來了巨大的困難。因加工鎳基合金過程中產生高剪切應力且熱傳導系數低，使得切削區域的切削力及切削溫度非常高。加上鎳基高溫合金與刀具材料的物理化學反應，引起切屑刮擦及粘焊于工件表面，導致刀具過度磨損，這使得切削速度受限，刀具壽命降低。以上這些特性不僅拉低了材料去除率，縮短了刀具壽命，還使得加工成本大幅上升。
二．鈦基合金
對先進的航空航天系統而言，鈦合金具有高強度重量比，出色的耐腐蝕性，鈦合金部件使用起來非常趁手。鈦基合金Ti含量86-99.5%，Al含量5-8%，幾乎不受暴露在航空航天環境下的影響。大量的鈦合金材料被用于噴氣發動機，鈦合金部件占噴氣發動機重量的25-30%，主要用于壓氣機。發動機的高效運行離不開鈦合金部件，如風扇葉片、壓氣機葉片、轉子、盤類零件、輪轂和其它非轉子部件（例如進氣引導葉扇）。
鈦合金性能優異、輕質，不僅令航空工程師們得以設計出飛得更高更快的飛機；還使得飛機對極端環境耐受性高。然而，鈦本具的物理性能、化學性能及機械加工性能使其一直以來都被視為難加工材料。
鈦材料具有相對耐高溫性、低熱傳導性，使得產生的切削熱不易從刀具切削區域散導出去，引起刀具過度變形，過度磨損。在高溫下，鈦合金依然能保持其強度，加工的結果是切削刀具出現相對高的塑性變形，產生深的溝槽磨損。在加工過程中，因鈦合金的高度化學反應，導致切屑冷焊于切削刀具上，產生積屑瘤，進而引起斷屑問題。
在過去的數年間，伊斯卡在研發方面投入大量的資源以打破以上這些加工困境，優化鎳基高溫合金及鈦基高溫合金的加工。其解決方案包括專業推出專用牌號；推進高壓冷卻技術落地到切削刀具以解決切削熱散熱問題。
三．伊斯卡牌號
為實現高金屬去除率，伊斯卡研發了以下能實現以200 – 400m/min的切削速度加工鎳基合金的陶瓷牌號：
IW7 – 晶須陶瓷牌號，兼具高硬度及高韌性，能以比硬質合金牌號快 8-10 倍的切削速度進行粗加工及半精加工；
IS25 – 強固的賽阿龍（SiAlON）合成牌號，在鎳基高溫合金的連續切削及輕微斷續切削加工中表現優異；
IS35 - 強固的賽阿龍（SiAlON）合成牌號，在鎳基高溫合金的輕微斷續切削及重型斷續切削加工中表現出色。
以下合金牌號用于有針對性地開發加工鎳基合金及鈦合金的刀具：
IC806 – 高強度超細晶粒基體，TiAlN (PVD) 涂層。包括特殊的涂層后處理技術在內的特別的涂層工序，使得涂層更薄更光滑，賦予刀片更出色的鎳基合金及鈦合金加工特性；
IC804 – 在硬度更高的基體上采用同樣的TiAlN (PVD) 涂層，特別設計用于加工最新的硬度高達HRC40-47的噴氣發動機鎳基合金部件；
IC20 – 非涂層合金牌號，特別推薦用于鋁合金及鈦合金的加工。IC20主要用于連續切削加工，表現出色。
四．高壓冷卻刀具
在金屬去除領域，高壓冷卻已存在相當長的時間。今天，尤其是在設定諸如鈦合金及鎳基合金這類難加工材料的加工工藝時，高壓冷卻刀具因能顯著提高生產率及切屑控制，所以扮演著越來越重要的角色。借助于高壓冷卻是使得冷卻射流精準直達切削區域沖刷出切屑的關鍵。
伊斯卡是最早對市場需求做出回饋的切削刀具制造商之一，通過研發、生產制造切削刀具以合理地將高壓冷卻用于降低切削溫度，調整切屑流，提供包括JETCUT在內的定制高壓冷卻刀具。
航空部件OEM/PMA部門不僅需要持續面對成本降低的壓力，同時還得保證所制造部件的品質和壽命。而這對所有相關人員而言都是一個巨大的挑戰。伊斯卡改進型切削刀具在使得噴氣發動機制造商們自如地采用理想的材料生產制造高品質零部件的同時，還將損耗降到最低，效率最大化。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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