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航空用鎳基高溫合金切削加工
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
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)生嚴重的擴散磨損、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)點較多，刀具很容易崩刃，不容易保證尺寸和精度要求。
盤軸、機匣和葉片是發(fā)動機上的關(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(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(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)則、尺寸較多、加工時間長，加工基準需要反復(fù)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(tǒng)振顫大，讓刀現(xiàn)象嚴重，零件的表面完整性差。
刀具的選取
1 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。
· 穩(wěn)定性好、抗氧化、耐高溫、抗沖擊能力強。
· 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(jié)、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。
（1）硬質(zhì)合金（Carbide）。
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(zhì)合金材料的開發(fā)使硬質(zhì)合金刀具的強度和韌性顯著提高。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)合金刀具進入高速切削時代。硬質(zhì)合金刀具雖然有以上優(yōu)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(xù)切削。
圖1 硬質(zhì)合金刀片車削加工實例
（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(fā)脆[1]。
圖2 陶瓷刀片
立方氮化硼（CBN）是有很高的硬度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，可作為難加工材料高速切削的首選，如圖3所示。立方氮化硼刀具屬于負前角切削，適用于高速切削鎳基和鈷基高溫合金，尤其是粉末高溫合金的高速切削加工，但是高溫下CBN容易發(fā)生粘結(jié)，可以通過使用高壓切削液來減少粘結(jié)磨損，但是不可使用水溶性冷卻液。CBN刀具效率優(yōu)于硬質(zhì)合金，壽命高于陶瓷刀具。聚晶立方氮化硼（PCBN）高硬度，耐磨性，熱穩(wěn)定性好溫度在1400~1500℃高的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性。其磨擦系數(shù)為0.1~0.3約為硬質(zhì)合金的1/2~1/4，從而具有了優(yōu)質(zhì)的抗粘結(jié)性，減少了積削瘤的產(chǎn)生。如高速加工GH4169最佳的速度為110m/min，f=1mm/r，ap=1mm。但是由于其價格昂貴，所以在生產(chǎn)中的應(yīng)用不是十分廣泛。
圖3 CBN刀片
決定刀具切削性能的因素除了刀具材料，還有切削部分的空間幾何結(jié)構(gòu)，這些因素直接影響到切削熱的大小、切屑的流向和形狀、已加工表面質(zhì)量、切削分力的大小。加工鎳基高溫合金通常選用0°~10°的前角，粗加工時切深和進給比較大，應(yīng)選擇比較小的前角，精加工時加大前角能減少變形，約為5°~10°，當車削變形高溫合金時前角5°~10°，車削鑄造高溫合金時前角為0°~5°。增大后角能減少后刀面與已加工面的摩擦，還可以減少刀刃的半徑，但是過大的后角會降低刀具的強度，粗加工鎳基高溫合金的后角一般為6°~8°，精加工10°~12°。主偏角的大小會影響到刀具的耐用度和切削力以及切屑的厚度，在各種刀具的角度中主偏角對零件加工的精度和表面形狀影響最大。因此，在選擇主偏角的時候應(yīng)先考慮零件的形狀其次是系統(tǒng)的剛性。加工鎳及高溫合金的主偏角一般為30°~60°，副偏角一般選擇0.5°~3°刃傾角一般為約為-10°~-20°。
合理切削參數(shù)的選取
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。
1 切削深度的選擇
在保證刀具耐用度、系統(tǒng)剛性、刀具強度的前提下，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）
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(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重的材料時，應(yīng)避免刀具在硬皮或冷硬層上切削。
2 進給量的選擇
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(tǒng)剛性、刀具強度等方面。在半精加工和精加工時，根據(jù)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。
F=C2Vcxfnyapz （F為切削力、C2為常數(shù)） ，（3）
Rmax=1000fn2/8rε。 （4）
3 切削速度的確定
當切削速度與進給量選定后，應(yīng)當在此基礎(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?shù)奶嵘Ａ硗庀拗魄邢魉俣鹊囊蛩匾部赡苁菣C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(zhì)合金加工GH4169的例子。
發(fā)展趨勢
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
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(wěn)，工藝系統(tǒng)振動小；
（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，可獲得相當于磨削加工的表面粗糙度；
（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]。
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(nèi)盡可能多地去除被加工材料。實現(xiàn)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(zhuǎn)速、高的進給系統(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)機床和刀具進行工藝路線的安排，來適應(yīng)高效加工。
（4）減少輔助時間。通過減少輔助時間來實現(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。
2 綠色切削
從現(xiàn)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(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)。
（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。
（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(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。
（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(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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