航空用鎳基高溫合金切削現(xiàn)狀研究

黑色陶瓷車刀

航空用鎳基高溫合金切削現(xiàn)狀研究   

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2011-09-07

/ a. X0 t1 R) t6 {  v4 M: P, C隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷更新與提升,，越來越多的難加工材料和復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用到新型發(fā)動機(jī)上,，這就對零件的工藝方法和加工能力提出了更高的要求。在發(fā)動機(jī)的難加工材料中,，鎳基高溫合金有著舉足輕重的作用，如發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、渦輪盤,、承力環(huán)、機(jī)匣,、緊固件,、葉片等在高溫下長期工作的發(fā)動機(jī)零件，都可以見到鎳基高溫合金的身影,。
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鎳基高溫合金的力學(xué),、抗氧化、抗高溫變形的性能很好,，但是導(dǎo)熱系數(shù)低,、材料塑性大和加工硬化等問題常常制約著鎳基高溫合金的廣泛使用。所以分析和研究零件材料的切削性,、刀具制作材料以及切削參數(shù)等現(xiàn)狀,，對解決鎳基高溫合金難加工問題有很大的幫助。

鎳基高溫合金及其切削加工性
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高溫合金按基體元素可分為：鐵基,、鎳基和鈷基高溫合金,。按照制造工藝分為：變形（GH4169、GH4133,、Inconel718等）,、鑄造（K477、K421,、Rene77等）,、定向結(jié)晶（DZ4等）和粉末冶金（FGH97、FGH98等）高溫合金,。鎳基高溫合金耐熱溫度高達(dá)950℃以上,，具有良好的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)特性，具有抗氧化,、耐腐蝕,、抵抗高溫交變應(yīng)力的特性。鎳基高溫合金在發(fā)動機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用（見表1）。

由于鎳基高溫合金高硬度,、強(qiáng)度和塑性的性能,，致使它的可切削性較差。在鎳基高溫合金里鑄造的材料比鍛造的切削性差,，單晶,、粉末冶金高溫合金的切削性更差。鎳基高溫合金的其他難加工特性表現(xiàn)為：切削力一般為鋼件的1.5~2倍,，切削溫度約為鋼的2倍,；材料導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)熱性很差,，切削熱集中在刀尖,，不易散出。切削產(chǎn)生的高溫能使刀具發(fā)生嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損,、氧化磨損和粘結(jié)磨損,；加工后零件表面硬化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，加工硬化表面的硬度約為正常表面的2倍以上,；切屑硬度高,，韌性好，不易折斷,，造成切削過程中斷屑困難,，切屑不好處理；材料中金屬化合物和硬質(zhì)點(diǎn)較多,，刀具很容易崩刃,，不容易保證尺寸和精度要求。

) k  s: `4 B1 ]6 M* \* T盤軸,、機(jī)匣和葉片是發(fā)動機(jī)上的關(guān)鍵零件,，在高溫工作區(qū)的部分都是采用鎳基高溫合金作為材料的。這些零件對配合表面尺寸,、表面完整性和位置精度等技術(shù)指標(biāo)要求都很高,，而且這幾種零件都屬于典型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁,、易變形的難加工零件,。盤軸類零件涉及到較多的車削工藝，機(jī)匣類,、葉片類的零件涉及到較多的銑削工藝,。盤件壁厚較小且不均勻，尺寸精度要求較高,，外型面較復(fù)雜,，不能沿圓周連續(xù)切削,，在加工過程中零件變形明顯，需要多次進(jìn)行修整,。

例如某盤件的外徑尺寸精度IT6~IT7,，焊縫表面的配合精度高達(dá)IT4~IT5。垂直度為0.01~0.03mm,，表面粗糙度Ra0.8μm,。機(jī)匣零件剛性差且形狀復(fù)雜，加工過程零件及易變形,。零件的尺寸精度,、表面粗糙度，位置精度要求都很嚴(yán)格,。如某機(jī)匣零件表面粗糙度為1.6μm，薄壁端厚2.5mm,，定位孔的尺寸公差0.015,。某機(jī)匣毛坯加工余量大，單邊余量為20~30mm,，大部分余量要通過銑削去除,，刀具消耗量大。葉片零件外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)則,、尺寸較多,、加工時間長，加工基準(zhǔn)需要反復(fù)地切換,。某機(jī)葉片最薄處為0.18mm,，零件的表面粗糙度為0.4μm。在加工過程中系統(tǒng)振顫大,，讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重,，零件的表面完整性差。

刀具的選取
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& ~. T* l4 }& F; t) \9 O1 刀具材料的選取

在航空用鎳基高溫合金的加工中,，零件的尺寸精度和表面效果很大程度上取決于刀具的材料,。根據(jù)鎳基高溫合金的特性，加工的刀具材料一般應(yīng)滿足以下要求,。
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? 穩(wěn)定性好,、抗氧化、耐高溫,、抗沖擊能力強(qiáng),。
6 f- D2 T; l; y, r& A? 硬度和耐磨性好。刀具材料硬度必須比零件材料的硬度高,，一般都在HRC60以上,。
; f  U' [( o$ @# N3 x& n? 有足夠的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性,。
, ?' A( ]( I9 z? 耐熱性好, 在高溫下保持一定的強(qiáng)度和韌性以及抗黏結(jié)、擴(kuò)散的性能,。
? 有良好的熱處理性能,、可磨削性能、鍛造性能及高溫塑性變形性能,。
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, z# @9 ]+ {9 e% L9 M) a8 y（1）硬質(zhì)合金（Carbide）,。

* L' A& b3 J: G3 v( G' }硬質(zhì)合金由難溶的金屬碳化物和起粘結(jié)作用的金屬燒結(jié)而成，具有高的強(qiáng)度和硬度,。硬度達(dá)HRC69~81,，整硬性在900~1000℃下可保持HRC60。細(xì)顆粒,、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)使硬質(zhì)合金刀具的強(qiáng)度和韌性顯著提高,。圖1為硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金刀片車削加工實(shí)例。使用加壓燒結(jié)的涂層硬質(zhì)合金刀片,，具有良好的抗朔性變形能力和韌性表層的梯度硬質(zhì)合金,，從而提高了涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能和應(yīng)用范圍，使硬質(zhì)合金刀具進(jìn)入高速切削時代,。硬質(zhì)合金刀具雖然有以上優(yōu)點(diǎn),，但是由于其脆性大、抗彎強(qiáng)度低,、抗震能力差,，故多用于車加工、沖擊較小的半精加工和精加工,。粗加工鎳基高溫合金常用的材料牌號有YG8,、YD15、YF06等,，精加工有YD05,、YG643M,而YS2T 牌號的合金適用于斷續(xù)切削。

圖1 硬質(zhì)合金刀片車削加工實(shí)例

涂層硬質(zhì)合金刀具：涂層主要分為化學(xué)涂層（CVD）和物理涂層（PVD）,，現(xiàn)代國內(nèi)使用的刀具中有50%以上為涂層刀具,，國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例已達(dá)70%以上。涂層已成為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù),，采用涂層技術(shù)可使切削刀具獲得非常優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,，大幅度地提高切削加工效率的同時還能提高刀具的使用壽命。新型涂層適應(yīng)高速切削,、干切削,、硬切削，納米級超薄超多層涂層和新型涂層材料的開發(fā)大幅度提高了涂層的硬度和韌性,，新型涂層的應(yīng)用將成為改善刀具性能的主要途徑,。
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（2）陶瓷刀具（Ceramic）

陶瓷刀具適合于高速切削,，可提高切削速度3~5倍。陶瓷刀具的硬度可達(dá)到HRA93~95,，可加工HRC65的高硬度材料,。在1200℃的高溫下仍能保持良好的抗粘結(jié)性和化學(xué)穩(wěn)定性，且摩擦系數(shù)低于硬質(zhì)合金,。陶瓷刀片如圖2所示,。陶瓷刀具有良好的耐磨性和高溫穩(wěn)定性，但是由于抗沖擊韌性較差,，所以要求被加工材料材質(zhì)均勻,，切入角度正確，切削過程平穩(wěn),，最好不用于斷續(xù)切削,。陶瓷刀具有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，當(dāng)切削鎳基高溫合金的刀具時,，應(yīng)選用氮化硅的刀片,，氧化鋁系列的陶瓷硬度雖然高，但是韌性和強(qiáng)度比較差,。利用陶瓷刀具的高溫穩(wěn)定性，在被加工材料不發(fā)生相變的情況下,，采取風(fēng)冷等干式切削所產(chǎn)生的切削熱去軟化被加工材料,，使切削過程變得容易。陶瓷刀具加工高鎳基高溫合金時,，其性能遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金刀具,，不僅切削速度可以大幅提升，而且能更好地解決切削熱不易排出的問題,。例如當(dāng)切削速度在420m/min以上時,，切屑成段狀表面氧化呈金黃色；當(dāng)線速度在700mm/min以上時,，切削熱大部分由切屑帶走, 切屑氧化變色,、松散發(fā)脆[1]。

# l. @6 ]' e" ~" g$ ]圖2 陶瓷刀片

（3）超硬刀具
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# m( h0 Q! l! E5 U2 a6 y/ n( C5 Z合理切削參數(shù)的選取
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在已經(jīng)選擇好刀具材料和空間幾何角度的基礎(chǔ)上,，合理選用切削參數(shù)可以達(dá)到提高效率,、優(yōu)化加工效果的目的。目前用來衡量加工效果的指標(biāo)有：單件加工成本,、加工時間,、表面粗糙度、零件尺寸精度等,。切削用量對這幾項(xiàng)指標(biāo)的影響方向并不一致,，通常選用的標(biāo)準(zhǔn)是在最低成本下獲得較高的效率,，以期達(dá)到利益最大化。

, o- s2 U# Q, h* ]9 g. C; a1 切削深度的選擇

在保證刀具耐用度,、系統(tǒng)剛性,、刀具強(qiáng)度的前提下，根據(jù)加工余量來確定切削深度,。由車削的金屬去除率公式,，刀具壽命模型公式可知，Q =Vcfnap（Q金屬去除率）,，（1）T =C1Vcxfnyapz（T為刀具壽命,、C1為常數(shù)） 。（2）
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& C' q7 U! m/ j7 T; p  W" h- a金屬去除率Q與切深正相關(guān),，在刀具壽命的T 為定值的時候,，提高切深比和進(jìn)給更有利。但是切深受機(jī)床的功率和剛性的影響,，不能任意擴(kuò)大,。在一般情況下，粗加工應(yīng)盡量去除多的余量,，減少走刀次數(shù),，以獲得高的切除率。在精加工和半精加工時,，用較小的加工余量可以減少零件的加工變形,，獲得好的表面質(zhì)量和高的尺寸精度。在切削表層有硬皮的鍛件,、鑄件毛坯或是冷作硬化程度較嚴(yán)重的材料時,，應(yīng)避免刀具在硬皮或冷硬層上切削。
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0 {, S, Z; d  g: r) o2 進(jìn)給量的選擇

切削深度選定以后,，可根據(jù)系統(tǒng)剛性,、零件工藝狀態(tài)、刀具材料等因素,，結(jié)合相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或刀具技術(shù)樣本給出切削深度,。根據(jù)公式（1）可知，在粗加工時高的進(jìn)給可以提高切除率,，但是由切削力模型公式（3）可知,，較大的進(jìn)給量使切削力也同時增加，在選擇切深的同時還需要考慮系統(tǒng)剛性,、刀具強(qiáng)度等方面,。在半精加工和精加工時，根據(jù)公式（4）可知,，要達(dá)到要求的表面粗糙度和精度,，可適當(dāng)增大刀尖圓弧半徑,，或是降低進(jìn)給。

  Y7 N& F* R+ n) H1 S6 lF=C2Vcxfnyapz （F為切削力,、C2為常數(shù)） ,，（3）
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+ _3 z; t; w+ MRmax=1000fn2/8rε。 （4）
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4 W9 m0 e/ q8 c! o3 切削速度的確定
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, J( W6 h7 \( w7 p當(dāng)切削速度與進(jìn)給量選定后,，應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上再選最大的切削速度,，速度受刀具壽命的影響最大，另外刀具的材料對切削速度也有影響,。例如,，涂層的硬質(zhì)合金刀具相對于普通的硬質(zhì)合金刀具，其切削速度可適當(dāng)?shù)奶嵘�,。另外限制切削速度的因素也可能是機(jī)床功率,。因此在一般情況下，可以先按刀具材料以及使用壽命確定出切削速度,，然后再效驗(yàn)機(jī)床功率是否超載,。表2、表3 是硬質(zhì)合金加工GH4169的例子,。

發(fā)展趨勢
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3 k( H( Q; F! j4 _1 v以鎳基高溫合金為代表的高性能難加工材料的切削問題已經(jīng)成為制約航空發(fā)動機(jī)制造產(chǎn)業(yè)的瓶頸,，對此，加快難加工材料關(guān)鍵切削技術(shù)的開發(fā)和方案的研究成為了解決問題的關(guān)鍵,。以發(fā)達(dá)國家高速切削,、綠色切削等技術(shù)為代表的新型加工理念對解決難加工材料問題有很好的幫助和指導(dǎo)作用。

1 高速切削

/ _- T1 t! c* `( c高速切削技術(shù)特征主要表現(xiàn)在如下幾個方面,。

（1）金屬切除率可以提高3~6倍,，單位功率材料切除率可達(dá)130~160cm3/(min?kW),，生產(chǎn)效率大幅提高,；
（2）切削力可降低15%~30%以上，尤其是徑向切削力大幅降低,；
（3）高速加工時機(jī)床的激振頻率特別高,，遠(yuǎn)離“ 機(jī)床- 刀具- 工件”工藝的固有頻率，工作平穩(wěn),，工藝系統(tǒng)振動�,。�
7 d% {0 Z$ r4 b+ |% H（4）95%~98%的切削熱被切屑帶走,，切削溫度增加緩慢,，工件溫升低，基本可以保持冷態(tài)加工,，工件表面熱損傷小,，適用于加工易變形的零件,；
+ Z$ t, v. E& P1 ]  j# Z（5）由于加工振動小切屑變薄，切削力和受力變形小,，所以可以獲得良好的加工精度和表面質(zhì)量,，加工表面質(zhì)量可以提高1~2級，可獲得相當(dāng)于磨削加工的表面粗糙度,；
（6）允許進(jìn)給速度提高5~10倍,，切削速度提高15%~20%, 可降低成本10%~15%, 高速切削可降低制造成本20%~40%[2]。

. F3 Y( l& L  u: F7 j2 X高效切削并非只限于單純的提高切削速度和進(jìn)給速度,，而是把提高切除率放在首位,，目的是在單位時間內(nèi)盡可能多地去除被加工材料。實(shí)現(xiàn)高效加工的途徑主要有以下幾個方面,。
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5 K; I( R1 U; z# B) X5 Z! B（1）選擇高效的機(jī)床,。主要是指高的主軸轉(zhuǎn)速、高的進(jìn)給系統(tǒng),、良好的剛性和抗震能力,。
（2）選擇高效的刀具。良好的耐磨性,、高強(qiáng)度和韌性的刀具材料,，優(yōu)良的刀具涂層技術(shù)，動平衡技術(shù),。
（3）合理安排工藝路線,。合理地分配加工余量，應(yīng)該是根據(jù)機(jī)床和刀具進(jìn)行工藝路線的安排,，來適應(yīng)高效加工,。
* Q, D  D1 z. [（4）減少輔助時間。通過減少輔助時間來實(shí)現(xiàn)高效加工,，利用復(fù)合刀具,、夾具盡量減少輔助時間，或者合并不必要的工序,。
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2 綠色切削
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從現(xiàn)階段來看,，綠色切削主要包括以下幾個方面。
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（1）綠色刀具,。主要是指在切削過程中,，應(yīng)用具有良好導(dǎo)熱性、耐高溫,、高硬度的刀具材料,、涂層來適應(yīng)微量切削液或無切削液的狀態(tài)。
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（2）少余量切削。精密鑄造,、精密鍛造技術(shù)的應(yīng)用使零件的加工余量減少,，從而降低了切削過程中刀具、能源,、工裝的浪費(fèi),。
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; R, X* I) W3 D; j( _( e（3）惰性氣體保護(hù)。國外車削氮化硅陶瓷的試驗(yàn)表明：在液氮冷卻條件下,，刀具磨損可減小到1/4左右,，零件表面粗糙度值可降低到原來的1/6。這種先進(jìn)的冷卻切削技術(shù)為鈦合金等難加工材料的綠色切削技術(shù)提供了新思路,。

3 D0 f1 n' }8 r% [1 v7 j  N（4）氣體射流冷卻,。日本學(xué)者對此研究較多，其主要原理是通過一定壓力的氣體對加工區(qū)進(jìn)行冷卻和沖刷,，以達(dá)到降溫和清除切削的目的,。綠色切削主要以降低能源的浪費(fèi)，減少廢氣,、廢渣,、廢液的排放為目的。隨著人們對環(huán)境問題的日益關(guān)注以及可持續(xù)發(fā)展的要求,，以減少污染為主的綠色切削必將成為未來的發(fā)展方向,。
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參 考 文 獻(xiàn)
[1] 趙秀芬，劉陽. 陶瓷刀具在轉(zhuǎn)包機(jī)匣鎳基高溫合金加工中的應(yīng)用. 新技術(shù)新工藝,，2010(5): 63.
- H7 u6 B$ _& D6 j* d' e[2] 蔡光起,，原所先. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[D]. 沈陽：東北大學(xué)，2002.
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學(xué)習(xí)了,，另請教下：在高溫合金上鉆小孔一般采用機(jī)加工還是特種加工,，1MM左右

人生就像杯茶

學(xué)習(xí)了

城風(fēng)

學(xué)習(xí)了