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

隨著航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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,。
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4 |5 ^2 _6 X, O8 L# ?9 a- s! k鎳基高溫合金及其切削加工性

2 l  N: p3 ^9 C+ J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(dòng)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,。
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* ?) x/ W1 l4 E+ O0 i# {" i( L盤軸、機(jī)匣和葉片是發(fā)動(dòng)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,。

& e1 `" N/ U* g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(shí)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

1 刀具材料的選取
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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,。

? 穩(wěn)定性好、抗氧化,、耐高溫,、抗沖擊能力強(qiáng)。
? 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。
# r5 @7 [9 d9 Z0 M? 有足夠的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性,。
, e7 k( ?7 K$ I, |8 B? 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。
7 i5 u- Z1 G, W; ?& F( r! X. J? 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。

（1）硬質(zhì)合金（Carbide）,。

& k7 [9 s1 V. T" ^% E3 X7 ~! ?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(shí)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(hào)有YG8、YD15,、YF06等,，精加工有YD05、YG643M,而YS2T 牌號(hào)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(shí)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(jí)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,。

（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(shí)，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(shí),，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(shí)，切屑成段狀表面氧化呈金黃色,；當(dāng)線速度在700mm/min以上時(shí),，切削熱大部分由切屑帶走, 切屑氧化變色、松散發(fā)脆[1],。

% y, F! H5 B: V. G, k% s1 M圖2 陶瓷刀片

（3）超硬刀具

  n. W5 S) A  W6 W; 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(shí)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,。
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% p. N4 Q0 r" h, w1 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）

2 O5 e) l1 a( S) Z( Q' q  h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(shí)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(shí),，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(shí)，應(yīng)避免刀具在硬皮或冷硬層上切削,。

- P7 H6 Y( \8 o- p$ V2 進(jìn)給量的選擇
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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(shí)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(shí)增加,，在選擇切深的同時(shí)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(shí),，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。

F=C2Vcxfnyapz （F為切削力,、C2為常數(shù)） ,，（3）

' Z/ j0 U4 B* @5 |+ X6 w) S8 MRmax=1000fn2/8rε。 （4）
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3 切削速度的確定

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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2 O1 L8 \4 u9 i( S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(dòng)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,。
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( y. L! D' Q( T+ [1 高速切削
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高速切削技術(shù)特征主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)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,；
5 f! C$ X5 K- o（3）高速加工時(shí)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(dòng)小,；
7 R/ Z) J( |- j4 t1 ~4 N（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,；
（5）由于加工振動(dòng)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(jí),，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],。

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(shí)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(gè)方面,。

（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。
; o7 `( c  O" g1 b（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(dòng)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。
（4）減少輔助時(shí)間,。通過減少輔助時(shí)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(shí)間,，或者合并不必要的工序,。

  v/ Y2 X$ z) x# D6 A2 w* o4 z2 綠色切削

9 `8 A6 E( J8 @; S/ O1 Z從現(xiàn)階段來看，綠色切削主要包括以下幾個(gè)方面,。

（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),。

0 V. ~* B2 v0 h* k( B（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),。
7 |6 J, p2 |  n  b
（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。

" l9 Z) e6 m7 f$ i' p4 b0 Z（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,。

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.
, N$ k, J1 F7 [, S5 k! L[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

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城風(fēng)

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