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优化的高品质刀具助可持续发展型飞机

——经过优化的高品质刀具助力未来可持续发展型飞机

2022-08-10 来源：山特维克可乐满

摘要

经过优化的高品质刀具助力未来可持续发展型飞机

山特维克可乐满刀具和工艺支持难加工型HRSA高温合金零件的高品质加工

根据英国政府发布的《英国创新战略》：“Good design is, for people and the planet, an increasingly critical focus” (出色的设计，无论对于人类还是地球，都越来越成为至关重要的焦点)。这包括：在航空航天业，未来的飞机将必须能够以更符合可持续发展理念的方式飞行，助力全球‘净零’目标的实现。在这里，山特维克可乐满航空航天业务的工业与技术中心经理Steve Weston阐释了为何说：经过优化的刀具和工艺知识将对航空航天业的可持续发展和创新起到至关重要的作用，尤其是使用越来越难加工的材料时。

未来的可持续发展型飞机将越来越依赖新一代以粉料为基础的高温合金以及先进的陶瓷基复合材料，因为它们能够抵御高温，从而提高燃料的燃烧效率和减少排放。这些材料必须能够在极端温度下耐热、抗蠕变和保持良好的材料属性。这对机械加工阶段构成了重重挑战。

根据《英国创新战略》报告：对于这些先进材料的大规模生产和加工，新技术和工艺将是关键。另外整个行业的内部合作也是必不可少的，这一点已经在英国谢菲尔德先进制造研究中心 (Advanced Manufacturing Research Centre，AMRC) 得到了证实。

山特维克可乐满是AMRC 2000年初创时的元老成员之一，此外还有波音公司和梅西埃道蒂公司。后续又有其他公司加入，包括英国航空航天、劳斯莱斯、吉凯恩航宇和空中客车等。到今天，AMRC已经拥有总计大约118家成员企业。该中心的大多数项目本质上都是合作式的，由所有成员共同出资和选择。AMRC如今在全球雇佣超过500名高素养研究员和工程师。倾尽全力专注数百万英镑级的大项目，助力构建强大的“专业创新”经济。

对于航空航天业，“可持续发展”的新技术和工艺应当聚焦的能力是：燃烧新型燃料，例如可持续发展型飞机燃料和液态氢，以此减少排放。没有例外，若想在更高温的环境运行，就要提高燃料的燃烧效率。如果我们再加上更高的压缩比 (大多数未来型新款发动机都能支持这一点)，那么就能获得更高效率。这意味着燃烧的燃料减少了，且功率增加、噪音降低。

创新，为了可持续发展

对于航空航天业所应用的发动机，其核心相对较小，而前端风扇相对较大。因此就产生了一个制约因素：风扇的转速能够有多快？为了解决这个难题，经过最近五到十年的发展，风扇和发动机核心之间被新增了一个装置：变速箱。得益于此，风扇可以降低转速，而发动机核心转得更快，由此获得较高的压缩效率和更优的燃料效率。

但是，需要HRSA高温合金零件来实现这一点。这类材料的成分均经过冶金工艺重组，以此使它们即便在极端高温环境也能保持属性不变。但这同时也意味着加工这些材料时所生成的应力是巨大的。这些以镍、铁和钴为基础的高温合金在接近熔点时还依然稳如泰山 — 这一方面是独特能力，另一方面也使它们的切削加工性普遍较差。

在航空航天业应用越来越多的一个零件是整体叶盘，包括转盘和叶片两部分。整体叶盘与传统叶盘的区别在于：后者的叶片卡入外径上的卡槽；而前者将转盘和叶片集成于同一个部件，且重量轻于传统的“转盘 + 叶片”组合。得益于此，压缩机的零件数量减少了，同时降低了阻力且将发动机内的空气压缩效率提升了大约8%。

整体叶盘通常与飞机发动机的制冷压缩机位于同一侧，一般在开始部分采用钛金属材质，但在靠近燃烧室的部位融入HRSA高温合金材料。若要根据最高标准高效加工这些零件，必须具备与这些先进材料相关的优化刀具和工艺知识。

因此，山特维克可乐满的内部项目大量关注各种关键的航空航天发动机零件和特性，包括转盘、整体叶盘、轴杆、机匣，等等。尤其值得一提的是，我们看到如今的燃气涡轮发动机越来越多使用整体叶盘，我们也希望这个趋势延续下去，因为这样一来，当前发动机结构的最后一点潜在能量和燃料效率都被充分挖掘出来了，没有丝毫浪费。

但是我们还要面对一个事实：整体叶盘的加工挑战尤其大，因为它们往往采用HRSA高温合金材质。因此，零件在尺寸和形状方面的误差要求非常严格，同时又要保持高水准的表面完整性和表面质量。

更可靠的加工

为了应对上述加工挑战，山特维克可乐满提供大量刀具解决方案，助力实现具备成本效益的高品质航空航天零件加工。山特维克可乐满所推荐的其中一个方案是：高进给侧面铣削。这种工艺涉及对工件的径向小幅吃刀，从而提升了切削速度和进给率并实现了热量更低、切屑更薄和径向力更小的轴向切深。

为了支持这种方案，山特维克可乐满研制出CoroMill? Plura HFS高进给侧面铣削系列。该系列主打具备独特槽型和刀片的立铣刀，包括两个子系列。其中一个子系列专为钛合金而优化，另一个子系列则专属于镍基合金。排屑和热量是钛金属加工的独特挑战，因此第一个子系列中包括一款适用于常规排屑条件的整体式刀具。第二个子系列采用内冷设计和全新冷却增压技术，以此实现出色的切屑和温度控制。

曾有客户进行了12毫米直径CoroMill? Plura HFS立铣刀与同尺寸竞争对手刀具的试用对比。此次试用主要是使用卧式机床中心加工一种由沃斯帕洛伊 (Waspaloy 420) 镍基合金打造的低压涡轮机 (LPT) 机匣 (增大轴向切深，缩小径向切深)。试用结果是：CoroMill? Plura的金属去除率大幅提升，由此使客户生产率猛增198%。该方案还应用于整体叶盘以及涡轮盘和机匣，用于加工叶片和减重花边。

此外山特维克可乐满还提供其他解决方案，例如其新一代车削刀片材质 — 既包括硬质合金，也包括多晶立方氮化硼 (PCBN) — 专为ISO S零件的高速精车而设计。与此相对应的是新一代陶瓷粗车材质，专注一流性能。最新的精加工刀片材质正在被山特维克可乐满测试和优化，以期满足航空航天发动机制造不可或缺的要求：更稳定一致的表面完整性，同时也旨在以更小的误差实现零件生产的稳定一致性。

未来

正如《英国创新战略》报告所言：诸如AMRC这样的全球创新中心将继续看到“各种规模的企业不断创造出突破性的新产品，提高效率，扩大规模，羽翼渐丰 — 无一不放眼全球以及本地市场。”

像整体叶盘这样的HRSA高温合金零件也将在未来可持续发展型飞机中得到越来越普遍的应用。当然，还有其他创新，例如山特维克可乐满在AMRC合作的一家领先的航空航天制造商正在研制更大型的“超级风扇”型发动机，以期打造能够应用生物燃料的超级节能型设计。除此以外的其他关键创新还包括灵活的树脂传递成型叶片，能够在风扇转速提升时散开。这些技术在中型单通道飞机中已经非常普遍，如Airbus A321机型。

关于未来的预测还有很多，例如中型飞机将率先应用氢燃料，而较小型的国内班机将成为“电动飞机”梦想的驱动力。现在已经有很多小型初创企业为飞机打造较小型的电动发动机；而据CNBC (美国消费者新闻与商业频道) 报道：到2040年，全球“空中飞车” — 也就是电动空中出租车的市场价值将增加至1.5万亿美元。未来的着陆点可能形成区域化的特点。例如欧洲乘客如果想要短途旅行 (例如在欧洲范围内)，可能会选择乘坐氢燃料的飞机；而如果想要前往更远的地方 (如美国)，则可能选择乘坐生物燃料的飞机。

从零件角度而言，这些应用将依赖于新一代材料，而山特维克可乐满的优化刀具解决方案及其广泛工艺和应用知识均已涉及这些材料。山特维克可乐满和AMRC将携手共进，保证航空航天业的领先制造商以及整个人类和地球共同享有优化的工艺设计。

关键词：机加工件,加工订单,刀具

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