航空用鎳基高溫合金切削現狀研究

黑色陶瓷車刀

航空用鎳基高溫合金切削現狀研究   

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2011-09-07

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隨著航空發動機技術的不斷更新與提升，越來越多的難加工材料和復合材料被廣泛地應用到新型發動機上，這就對零件的工藝方法和加工能力提出了更高的要求。在發動機的難加工材料中，鎳基高溫合金有著舉足輕重的作用，如發動機的壓氣機盤、渦輪盤、承力環、機匣、緊固件、葉片等在高溫下長期工作的發動機零件，都可以見到鎳基高溫合金的身影。

鎳基高溫合金的力學、抗氧化、抗高溫變形的性能很好，但是導熱系數低、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等現狀，對解決鎳基高溫合金難加工問題有很大的幫助。

' ~9 C8 Z& g, Q; G# n- k; w  A& @鎳基高溫合金及其切削加工性
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( N& {" B+ `9 G5 I6 Q( R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950℃以上，具有良好的力學性能和組織結構特性，具有抗氧化、耐腐蝕、抵抗高溫交變應力的特性。鎳基高溫合金在發動機上得到了廣泛的應用（見表1）。

由于鎳基高溫合金高硬度、強度和塑性的性能，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；材料導熱系數低，導熱性很差，切削熱集中在刀尖，不易散出。切削產生的高溫能使刀具發生嚴重的擴散磨損、氧化磨損和粘結磨損；加工后零件表面硬化現象十分嚴重，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點較多，刀具很容易崩刃，不容易保證尺寸和精度要求。
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盤軸、機匣和葉片是發動機上的關鍵零件，在高溫工作區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指標要求都很高，而且這幾種零件都屬于典型的結構復雜、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，外型面較復雜，不能沿圓周連續切削，在加工過程中零件變形明顯，需要多次進行修整。
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/ L% {8 l8 n$ F; ?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IT4~IT5。垂直度為0.01~0.03mm，表面粗糙度Ra0.8μm。機匣零件剛性差且形狀復雜，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格。如某機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。葉片零件外形結構復雜不規則、尺寸較多、加工時間長，加工基準需要反復地切換。某機葉片最薄處為0.18mm，零件的表面粗糙度為0.4μm。在加工過程中系統振顫大，讓刀現象嚴重，零件的表面完整性差。
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刀具的選取
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8 C9 o0 F, o  a7 ^( C6 e1 刀具材料的選取
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* Y- Q) B3 P( A7 `+ b7 m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。根據鎳基高溫合金的特性，加工的刀具材料一般應滿足以下要求。

? 穩定性好、抗氧化、耐高溫、抗沖擊能力強。
6 q: I  R9 [' x) `/ ~/ x? 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。
? 有足夠的抗彎強度和抗沖擊韌性。
? 耐熱性好, 在高溫下保持一定的強度和韌性以及抗黏結、擴散的性能。
? 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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（1）硬質合金（Carbide）。

硬質合金由難溶的金屬碳化物和起粘結作用的金屬燒結而成，具有高的強度和硬度。硬度達HRC69~81，整硬性在900~1000℃下可保持HRC60。細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的開發使硬質合金刀具的強度和韌性顯著提高。圖1為硬質合金硬質合金刀片車削加工實例。使用加壓燒結的涂層硬質合金刀片，具有良好的抗朔性變形能力和韌性表層的梯度硬質合金，從而提高了涂層硬質合金刀片的切削性能和應用范圍，使硬質合金刀具進入高速切削時代。硬質合金刀具雖然有以上優點，但是由于其脆性大、抗彎強度低、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切削。

# Y" W4 P8 R' r% |圖1 硬質合金刀片車削加工實例

涂層硬質合金刀具：涂層主要分為化學涂層（CVD）和物理涂層（PVD），現代國內使用的刀具中有50%以上為涂層刀具，國外硬質合金可轉位刀片的涂層比例已達70%以上。涂層已成為提高刀具性能的關鍵技術，采用涂層技術可使切削刀具獲得非常優良的綜合力學性能，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大幅度提高了涂層的硬度和韌性，新型涂層的應用將成為改善刀具性能的主要途徑。
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- O( l% [$ F( |; k) D7 l2 V4 ^( e' Q（2）陶瓷刀具（Ceramic）
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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性和化學穩定性，且摩擦系數低于硬質合金。陶瓷刀片如圖2所示。陶瓷刀具有良好的耐磨性和高溫穩定性，但是由于抗沖擊韌性較差，所以要求被加工材料材質均勻，切入角度正確，切削過程平穩，最好不用于斷續切削。陶瓷刀具有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，當切削鎳基高溫合金的刀具時，應選用氮化硅的刀片，氧化鋁系列的陶瓷硬度雖然高，但是韌性和強度比較差。利用陶瓷刀具的高溫穩定性，在被加工材料不發生相變的情況下，采取風冷等干式切削所產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，其性能遠好于硬質合金刀具，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。例如當切削速度在420m/min以上時，切屑成段狀表面氧化呈金黃色；當線速度在700mm/min以上時，切削熱大部分由切屑帶走, 切屑氧化變色、松散發脆[1]。

圖2 陶瓷刀片

（3）超硬刀具
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合理切削參數的選取
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在已經選擇好刀具材料和空間幾何角度的基礎上，合理選用切削參數可以達到提高效率、優化加工效果的目的。目前用來衡量加工效果的指標有：單件加工成本、加工時間、表面粗糙度、零件尺寸精度等。切削用量對這幾項指標的影響方向并不一致，通常選用的標準是在最低成本下獲得較高的效率，以期達到利益最大化。

+ d8 U. B, V! Q1 切削深度的選擇
3 }. E: V- ~3 f3 l& A( r3 K
) N) g$ e% Y2 L5 y2 ^( `. ^在保證刀具耐用度、系統剛性、刀具強度的前提下，根據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） 。（2）
0 i( l4 y# j2 d' @& t) x- Y
2 O. P- Q+ ]/ e9 M) M% z( z1 o金屬去除率Q與切深正相關，在刀具壽命的T 為定值的時候，提高切深比和進給更有利。但是切深受機床的功率和剛性的影響，不能任意擴大。在一般情況下，粗加工應盡量去除多的余量，減少走刀次數，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重的材料時，應避免刀具在硬皮或冷硬層上切削。

% Z% p& g& C. P7 N$ m2 進給量的選擇

' L( T1 G/ `" E# o- s( R# D切削深度選定以后，可根據系統剛性、零件工藝狀態、刀具材料等因素，結合相應的經驗參數或刀具技術樣本給出切削深度。根據公式（1）可知，在粗加工時高的進給可以提高切除率，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剛性、刀具強度等方面。在半精加工和精加工時，根據公式（4）可知，要達到要求的表面粗糙度和精度，可適當增大刀尖圓弧半徑，或是降低進給。

: b; r/ H' l  c+ @0 RF=C2Vcxfnyapz （F為切削力、C2為常數） ，（3）
: K. ^' ]# n- v, J0 h  Z$ l
Rmax=1000fn2/8rε。 （4）

3 切削速度的確定
' e- G% R8 T% {* j+ v
. k# ?1 D* `2 k; y當切削速度與進給量選定后，應當在此基礎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，涂層的硬質合金刀具相對于普通的硬質合金刀具，其切削速度可適當的提升。另外限制切削速度的因素也可能是機床功率。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，然后再效驗機床功率是否超載。表2、表3 是硬質合金加工GH4169的例子。

發展趨勢

1 u0 Z8 M# {2 L( p9 q. [+ H" Z8 `* a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成為制約航空發動機制造產業的瓶頸，對此，加快難加工材料關鍵切削技術的開發和方案的研究成為了解決問題的關鍵。以發達國家高速切削、綠色切削等技術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作用。

" b$ j9 f% z/ T8 t; _1 高速切削

高速切削技術特征主要表現在如下幾個方面。

（1）金屬切除率可以提高3~6倍，單位功率材料切除率可達130~160cm3/(min?kW)，生產效率大幅提高；
* o/ D% t3 B$ U; d（2）切削力可降低15%~30%以上，尤其是徑向切削力大幅降低；
（3）高速加工時機床的激振頻率特別高，遠離“ 機床- 刀具- 工件”工藝的固有頻率，工作平穩，工藝系統振動��；
) W% f" M- D5 i- X8 r（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，基本可以保持冷態加工，工件表面熱損傷小，適用于加工易變形的零件；
. }% K) y4 n; R5 X+ m6 Q, @（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量，加工表面質量可以提高1~2級，可獲得相當于磨削加工的表面粗糙度；
4 U. V. T, e" g6 }$ _* l3 H1 g" h4 i（6）允許進給速度提高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]。

2 s+ ]6 E# j( p! S5 g高效切削并非只限于單純的提高切削速度和進給速度，而是把提高切除率放在首位，目的是在單位時間內盡可能多地去除被加工材料。實現高效加工的途徑主要有以下幾個方面。

（1）選擇高效的機床。主要是指高的主軸轉速、高的進給系統、良好的剛性和抗震能力。
; h( F5 @" z0 v1 Q（2）選擇高效的刀具。良好的耐磨性、高強度和韌性的刀具材料，優良的刀具涂層技術，動平衡技術。
（3）合理安排工藝路線。合理地分配加工余量，應該是根據機床和刀具進行工藝路線的安排，來適應高效加工。
（4）減少輔助時間。通過減少輔助時間來實現高效加工，利用復合刀具、夾具盡量減少輔助時間，或者合并不必要的工序。
& D& T/ j7 Y% ]7 e/ I. [7 g
2 綠色切削

3 f+ O5 o' W$ l( M/ }  L) x從現階段來看，綠色切削主要包括以下幾個方面。

（1）綠色刀具。主要是指在切削過程中，應用具有良好導熱性、耐高溫、高硬度的刀具材料、涂層來適應微量切削液或無切削液的狀態。

（2）少余量切削。精密鑄造、精密鍛造技術的應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。
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7 ~. N1 k; K5 `+ x; L（3）惰性氣體保護。國外車削氮化硅陶瓷的試驗表明：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。這種先進的冷卻切削技術為鈦合金等難加工材料的綠色切削技術提供了新思路。

（4）氣體射流冷卻。日本學者對此研究較多，其主要原理是通過一定壓力的氣體對加工區進行冷卻和沖刷，以達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，減少廢氣、廢渣、廢液的排放為目的。隨著人們對環境問題的日益關注以及可持續發展的要求，以減少污染為主的綠色切削必將成為未來的發展方向。

參 考 文 獻
5 @0 D# R8 Z! F1 k( O; Y& o2 K+ E[1] 趙秀芬，劉陽. 陶瓷刀具在轉包機匣鎳基高溫合金加工中的應用. 新技術新工藝，2010(5): 63.
[2] 蔡光起，原所先. 機械制造技術基礎[D]. 沈陽：東北大學，2002.
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學習了，另請教下：在高溫合金上鉆小孔一般采用機加工還是特種加工，1MM左右

人生就像杯茶

學習了

城風

學習了