浅谈高温合金的切削加工

来源:用户上传      作者: 孙克江

　　【摘 要】高温合金是现代航天、航空、航海及核工业上必需的金属材料，高温合金的切削加工是现代机械加工技术中一个难点。本文首先简要介绍了高温合金切削加工的特点，然后介绍了高温合金的车削加工中刀具的选择及其加工中应注意的若干问题。
　　【关键词】高温合金；切削；加工
　　
　　高温合金是多组元的复杂合金，能高温氧化气氛及燃气腐蚀条件下工作，具有优良的热强性能，热稳定性能及热疲劳性能。高温合金主要用于航空涡轮发动机，航天发动机的耐热零部件，特别是火焰筒、涡轮叶片、导向叶片及涡轮盘是高温合金应用的典型零件。
　　一、高温合金切削加工的特点
　　1、切削加工性差
　　高温合金的相对切削加工性均很差，Kv约在0.2～0.5之间，合金中的强化相越多，分散程度越大，热强性能越好，切削加工性就越差。高温合金的加工由易→难顺序为：
　　变形高温合金GH4034→GH2036→GH2132→GH2135→GHll40→GH3030→GH4033→GH4037→GH4049→GH4133A……
　　铸造高温合金K211→K214→K40l→K406→K640……
　　2、切削变形大
　　高温合金的塑性很大，有的延伸率δ≥40％，合金的奥氏体中固溶体晶格滑移系数多，塑性变形大，故切削变形系数大。如低速拉削变形Fe基高温合金GH2132时，其切削变形系数Λh约为45钢的1.5倍。
　　3、加工硬化倾向大
　　由于高温合金的塑性变形大，晶格会产生严重扭曲，在高温和高应力作用下不稳定的奥氏体将部分转变为马氏体，强化相也会从固溶体中分解出来呈弥散分布，加之化合物分解后的弥散分布，都将导致材料的表面强化和硬度的提高。切削加工后，高温合金的硬化程度可达200％～500％。切削试验表明，切削速度vc和进给量f均对加工硬化有影响，vc越高，f越小，加工硬化越小。
　　4、切削力大，切削温度高
　　切削高温合金时切削力F的各项分力均大于45钢，也比不锈钢的切削力要大。切削高温合金时切削力的波动比切削合金钢大得多，伴随切削力的波动，极易引起振动。
　　切削高温合金时，由于材料本身的强度高、塑性变形大、切削力大、消耗功率大、产生的热量多，而它们的导热系数又较小，故切削温度比切削45钢和不锈钢都高很多。
　　5、刀具易磨损
　　切削高温合金时刀具磨损严重，这是由复合因素造成的。如：严重的加工硬化、合金中的各种硬质化合物及γ＇相构成的微硬质点等都极易造成磨料磨损。磨损的形式常为边界磨损和沟纹磨损，边界磨损由工件待加工表面上的冷硬层造成，沟纹磨损由加工表面刚形成的硬化层所致。
　　6、表面质量和精度不易保证
　　由于切削温度高，材料本身导热性能又很差，工件极易产生热变形，故精度不易保证。又因切削高温合金时刀具前角γo较小、vc较低时切屑常呈挤裂状，切削宽度方向也会有变形，会使表面粗糙度Ra加大。
　　二、高温合金的车削加工中刀具的选择
　　Fe基高温合金的切削加工性比Ni-Cr不锈钢要差，而比Ni基和Co基高温合金的切削加工性要好。
　　不同类型的高温合金应选择不同类型的硬质合金刀具：①切削加工件好些的(如Fe基)，主要从刀具磨损的角度考虑，选用K01即可；②对于切削加工性差的高温合金来说，除了要考虑刀具磨损之外，还应同时考虑刀具的破损，选用K10、K20这些适应性强的通用硬质合金要好些；③对于切削加工性更差的高温合金，主要考虑刀具的耐破损性能，即选用强度较高的超细晶粒硬质合金较合适；④Co基高温合金的切削加工性最差。刀具材料与加工条件的关系、机床的刚度与精度、刀具的悬伸长度及其刚度、工件的安装刚度、夹具的刚度与精度等方面都必须考虑到，特别是切削振动及故障更要考虑。车削宜用K01、K10及CBN，超细晶粒的硬质合金适合用于刀具易产生破损的情况，其中Co含量多的K类不适于低速切削。
　　此外，要注意选择合理的刀具前角γo，选择合理后角αo；并确合理的切削用量并要选用性能好的切削液。加工高温合金宜选用极压切削液。加工Ni基高温合金不宜用硫化极压切削液，以防应力腐蚀降低其疲劳强度，可用乳化液、透明水基切削液、蓖麻油等。
　　三、高温合金的加工时应注意的一些问题
　　1、铣削加工
　　用于高温合金的铣刀除端铣刀和部分立铣刀用硬质合金外，其余各类铣刀大都采用高性能高速钢制造。用做端铣刀和立铣刀的硬质合金以K10、K20较合适，因为它们比K01更耐冲击和耐热疲劳。铣削高温合金时，刀具切削刃既要锋利又要能耐冲击，容屑槽要大，为此可采用大螺旋角铣刀。
　　2、钻削加工
　　在高温合金上钻孔时，扭矩和轴向力均很大；切屑易粘结于钻头上，切屑不易断，排屑困难；加工硬化严重，钻头转角处易磨损，钻头刚度差容易引起振动。为此，必须选用超硬高速钢或超细晶粒硬质合金或则结硬质合金制造钻头。除此以外，就是对现有钻头结构进行改进或使用专用的特殊结构钻头。可采用S型硬质合金钻头和四刃带钻头。S型硬质合金钻头具有的特点是：无横刃，可减小轴向力50％；钻心处前角为正值，刃口锋利；钻心厚度增大，提高了钻头刚度；为圆弧形切削刃，排屑槽分布合理；有两个喷液孔，便于冷却和润滑。四刃带钻头在合理排屑槽形与尺寸参数的配合下，加大了截面的惯性矩，提高了钻头的强度和刚度。用此钻头，在相同扭矩的情况下，其扭转变形远小于标准钻头的扭转变形。
　　3、高温合金攻螺纹
　　在高温合金上攻制螺纹，特别是在Ni基高温合金上攻制螺纹比在普通钢材上要难得多。因为攻丝扭矩大，丝锥容易被“咬孔”在螺孔中，丝锥易出现崩齿或折断。用于于高温合金的丝锥材料与用于高温合金的钻头材料相同。通常情况下高温合金攻螺纹均采用成套丝锥。为改善丝锥的切削条件，可把末锥的外径做得略小于一般丝锥。丝锥的切削锥角的大小将影响切削层厚度、扭矩、生产效率、表面质量及丝锥使用寿命，注意选取合适的大小。此外，在高温合金上攻螺纹时，螺纹底孔直径应比普通钢略大一些。
　　参考文献
　　[1] 钱子亮,贾艳丽. 高温合金材料冷加工技术[J]. 航空制造技术, 2004, (03) .
　　[2] 乔阳, 艾兴, 赵军, 刘战强. 高温合金高速加工技术及刀具材料研究[J]. 工具技术, 2010, (06).

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