航空發動機零件普遍具有材料和結構的雙重難加工特性，加工刀具成本高，加工質量和加工效率亦難以保證。如何有效地評估刀具的切削性能和優選刀具已成為國內航空發動機制造領域亟待解決的技術難題之一。為此，南京航空航天大學以航空發動機整體葉盤、機匣以及盤軸等典型零件為研究對象，提出了一種面向航空發動機典型零件的刀具性能綜合評價方法，針對粗、精加工過程，選取不同的刀具性能評價指標，利用灰色系統理論分別構建了粗、精加工刀具性能綜合評價模型。
錨定加工難點
鈦合金和高溫合金本身具有優越的綜合性能，是加工航空發動機典型零件的理想材料，但典型零件包含材料和結構雙重難加工性，對切削加工的刀具提出了嚴峻挑戰。選擇合適的刀具對于提高典型零件的加工效率，保證加工質量穩定性至關重要。同時，刀具材料、涂層技術和刀具結構的快速創新推動了切削加工技術的快速發展，為提高加工效率，保證加工質量和降低生產成本提供了強大支撐。因此，通過評價刀具性能來實現刀具優選就變得格外重要?！?/p>
整體葉盤的工藝難點諸多，它尺寸大，范圍寬，外徑輪廓一般在Φ600~Φ1200mm，需要較大規格的加工設備；它結構復雜，其盤和葉片采用一體化設計結構，葉片為空間自由曲面，尤其是風扇整體葉盤的葉片，為寬弦、大扭角，通道開敞性差，鼓筒與葉片連接處型面較為復雜，機械加工難度很大，確定五軸加工方式、解決多約束加工干涉、計算復雜刀軸矢量計算等問題至關重要；同時，尺寸、形位公差和表面粗糙度設計精度高，其尺寸和形位公差一般要求在自由狀態下檢測，而整個加工過程零件處于限位狀態，兩者的狀態會有一定的差異，因此，加工過程會扣嚴公差，導致加工難度更大；整體葉盤的葉片部分是懸臂結構，葉片壁厚又薄，整體葉盤的剛性比較弱，在加工過程中容易產生顫振和變形，因此，在夾具設計和加工工藝方面需要采取一定的措施，來解決顫振和加工變形問題以提高切削剛性；整體葉盤的材料多為鈦合金或高溫合金，這樣的難加工材料，切削加工困難，需要選擇適合整體葉盤切削加工的刀具材料、刀具結構及幾何尺寸。
圖1. 整體葉盤基準件三維圖，主要包含葉片和流道兩種典型難加工結構特征
此次作為研究選定的整體葉盤基準件材料為鈦合金TC4，輪廓尺寸為100mm×53mm×63mm，葉片高度為30mm，最薄處小于2mm，流道圓弧半徑為480mm，轉接圓弧半徑為4mm，底部裝夾高度為30mm。為了提高粗銑加工的效率和保證加工穩定性，整體葉盤基準件將葉片的自由曲面簡化為直紋面來降低粗銑加工的難度，可實現四坐標銑加工葉片。該基準件忽略次要特征，包含了整體葉盤葉片和流道兩種最典型結構特征。
工藝路線與加工
粗加工策略。粗加工的目的是完成葉片之間主要加工余量的去除以及葉片后續加工余量的均勻化。整體葉盤基準件粗加工開槽采用大進給刀具，采用型腔銑，封閉區域螺旋進刀，開放區域線性進刀，余量為0.6mm。WSM35S、WSP45S刀片切削參數為切削速度Vc=80m/min，每齒進給量fz=1mm/Z，徑向切深ae=12.5mm，軸向切深ap=0.6mm。
圖2 整體葉盤基準件粗加工走刀軌跡圖例
實際加工采用了WALTER機夾式可轉位大進給刀片，刀具直徑為25mm，刀桿牌號為F4030.T22.025.Z02.01，刀片牌號分別為P23696-1.0 WSM35S、P23696-1.0 WSP45S，該系列刀具前角為16°，后角為14°。
圖3 .粗加工刀柄及其刀片
半精加工策略。半精加工的目的通常是平滑光整地加工粗加工后的殘留加工面，或者是對拐角處進行清角，從而使工件加工表面余量均勻，為精加工作好準備。整體葉盤基準件葉片頂部半精加工采用平面銑，去除葉片頂端余量，封閉區域螺旋進刀，開放區域線性進刀。
選用了WALTER整體硬質合金刀具H7073717-12-2，其切削參數為切削速度Vc=90m/min，每齒進給量fz=0.06mm/Z，徑向切深ae=6mm，軸向分五層：軸向切深ap=0.6mm。半精加工刀具為WALTER Protostar Ti 40系列的整體硬質合金刀具H7073717-12-2，該刀具有4個刀刃，刀尖圓角半徑為2mm，螺旋角為40o。
?。╝） （b）
圖4.整體葉盤基準件半精加工走刀軌跡圖例
精加工策略。精加工的目的是為了保證良好的加工質量和尺寸精度，精加工直接決定了實際的加工效果是否能夠達到實際需求。精加工時，分別采用不同的方法先加工葉片特征，后加工流道特征。葉片采用可變輪廓銑，曲面驅動方法，投影矢量為朝向驅動體，刀軸采用側刃驅動體，側傾角為10o，進刀方式為線性-垂直于部件，切削參數為切削速度Vc=60m/min，每齒進給量fz=0.04mm/Z，徑向切深ae=0.3mm，軸向切深ap=1.2mm。流道也采用可變輪廓銑，曲面驅動方法，投影矢量為朝向驅動體，刀軸采用垂直于驅動體。進刀方式為圓弧-垂直于部件，切削參數為切削速度Vc=80m/min，每齒進給量fz=0.04mm/Z，徑向切深ae=1mm，軸向切深ap=0.3mm。精加工過程中采用了WALTER整體硬質合金刀具，精加工球頭刀具刀具牌號為H7073717-12-2。
圖5 精加工球頭刀具
實驗結果及分析
根據所制定的加工策略以及刀具的切削參數，最終加工出整體葉盤基準件（共兩塊）驗證不同刀具的切削性能，整體葉盤基準件粗加工結果如圖6所示。
圖6. 整體葉盤基準件粗加工后圖例
運用灰色關聯分析法對刀具性能進行評價的關鍵在于計算出加權關聯矢量γ′，利用最大加權關聯度γi來決定相對最優切削刀具。在基準件流道特征的粗加工過程中，加權關聯矢量γ′=(1，0.553)，最大加權關聯度γi=max(1，0.553)=γ1，所以刀片WSM35S的切削性能優于刀片WSP45S。同時可知，兩種刀片金屬去除率相同，可直接通過后刀面磨損判斷刀具性能優劣，但金屬去除率相同屬于巧合情況，并不影響粗加工評價模型針對一般情況的使用。
圖 7. 整體葉盤基準件精加工裝夾圖
圖 8 整體葉盤基準件精加工后圖
通過用所建立的灰色綜合評價模型分別評價粗、精加工刀具，最終得出以下結論。
?。?）典型結構特征對于刀具的性能有著重大的影響，同一種刀具加工不同的結構特征將會體現出不同的切削性能，故有必要針對不同的結構特征優選刀具，提高加工效率的同時并保證加工質量及穩定性。
?。?）粗加工整體葉盤基準件的流道特征時，在相同切削參數條件下，刀片WSM35S的切削性能優于刀片WSP45S。精加工整體葉盤基準件的葉片和流道特征時，WALTER 4齒球頭刀具的綜合切削性能均優于其他品牌齒球頭刀具的綜合切削性能。