高溫條件下合金零件切削的工藝研究

摘要：在分析研究鎳基高溫合金Incone1625零件(即連接軸)的切削加工工藝的基礎上，通過對不同刀具(包括涂層刀具)的性能進行分析研究，總結出合理有效的加工工藝方案，攻克了高溫合金加工的難點，并延長了刀具的使用壽命，從而降低了制造成本。

關鍵詞：高溫合金 Incone1625特性 涂層刀具

按基本元素成分一般將高溫合金劃分為鎳基、鈷基和鐵鎳基三種高溫合金。其中含鈷量達50％以上的為鈷基高溫合金；鐵鎳基高溫合金的基體元素為鐵基，并含有30％～45％的鎳；鎳基高溫合金為含鎳量在45％以上的高溫合金。在高溫下高強度的耐蝕性以及抗氧化等特點是高溫合金的基本特性。在本文中主要研究的是鎳基高溫合金材料中的典型代表，即Incone1625的切削加工及刀具的應用進行研究。

1 Incone1625的主要特點

Incone1625為鎳鉻鉬合金，它的化學元素含量如表1所示。其特性為無論在低溫條件下，還是高達1000℃的高溫其拉伸性、抗氧化性、抗疲勞性及耐蝕性都較好，并且，在鹽霧氣氛下，Incone1625都可以耐應力腐蝕。在該合金中含有少量的鈮和鉭，主要用于加強該合金的硬度，因此，不需經(jīng)過熱處理，該合金便可以獲得強度非常高。將Mo、Cr加入到鎳中，可以使其耐酸性提高很多，從而能夠讓該合金能夠在多種嚴酷的酸性環(huán)境中抵御腐蝕，尤其是在耐裂隙腐蝕和斑點腐蝕方面提高很多。該合金被廣泛用于航空領域、化工工業(yè)、污染控制設備和核反應設備等。

2 切削加工高溫合金的特點

現(xiàn)在，業(yè)內(nèi)公認的最難加工的材料之一便是高溫合金。如果45鋼的加工性為100％，這高溫合金只有5％～20％的相對加工性則。

高溫合金切削加工的主要特點有：①需要切削普通合金鋼材的2～5倍的切削力來對其進行切削。②其切削過程中產(chǎn)生很高的溫度。當在對高溫合金進行切削時，此過程產(chǎn)生的塑性變形較大，工件與刀具的摩擦強烈，使得切削力大增，所以切削時會產(chǎn)生大量熱量。而且高溫合金的導熱系數(shù)小，因此散熱性較差。這樣的高溫不僅可以加大刀具的氧化磨損和擴散磨損，同時還能造成工件的熱變形的產(chǎn)生，因此不易控制其尺寸和形狀的精度。③有比較嚴重的加工硬化問題。當對塑性變形區(qū)進行切削時產(chǎn)生嚴重的晶格畸變現(xiàn)象，從而造成已加工表面的冷硬化。④容易磨損刀具。由于加工硬化嚴重，并且在高溫合金中含有微觀的硬質(zhì)點，造成刀具加速磨損，甚至肯能有崩刀的現(xiàn)象出現(xiàn)。

因為有以上切削難點存在，應該選擇具有較高的紅硬性、較高的強度、良好的韌性和耐磨性、較高的抗粘接能力和導熱性以及較低的化學親和性等特點的材料制作的刀具來對切削高溫合金。本文研究了硬質(zhì)涂層刀具在Ineone1625材料零件上的切削試驗以及刀具的壽命，其中主要對TiN、TiALN、和TiCN涂層進行研究。

3 硬質(zhì)涂層刀具的性能特點及加工工藝方案確定

3.1 刀具的硬質(zhì)涂層技術

刀具的硬質(zhì)涂層技術是在刀具表面加上一層幾微米到十幾微米厚的硬質(zhì)薄膜，薄膜主要通過物理或化學氣相沉淀的方法獲得，其特點為硬度高、耐高溫、潤滑性好，因此讓刀具具有優(yōu)良的切削力學性能，對切削的效率可以大幅地提高，同時對加工表面的質(zhì)量進行了大幅地提高。涂層技術可以在合適的參數(shù)配合運用下實現(xiàn)高精、高效、高速的加工效果。

刀具涂層技術主要分為化學氣相沉淀(CVD)與物理氣相沉淀技術(PVD)兩大類。

其中CVD技術是通過對刀具表面和相界面在一定的溫度和真空度下進行分解、化合等反應，在刀具的表面最終生成一層或者幾層均勻一致的化合物薄膜層。

PVD技術，即物理氣相沉淀過程，該過程是將在放電和真空條件下經(jīng)過“蒸發(fā)和濺射”后的固態(tài)反應物與通入的反應氣體進行電離、復合及反應沉淀等物理過程，最后將一層均勻一致的硬質(zhì)涂層以及其復合涂層形成在刀具的表面。

PVD涂層硬質(zhì)合金刀具在刀具供應商所提供的資料和相關的文獻中記錄，可以用其對高溫合金進行加工。不過，加工具體的Ineone1625零件，需要再考慮刀具使用壽命最優(yōu)化的基礎上對刀具涂層的選擇和加工參數(shù)的確定進行試驗驗證。

3.2 零件加工工藝方案

3.2.1 根據(jù)Ineone1625材料的加工特點和零件圖紙精度要求及主要加工難點，確定加工工藝方案。

①Ineone1625材料是難以加工的材料，加工硬化比較嚴重，容易磨損刀具；②主要加工精度要求見圖1所示；③主要加工難點：

加工工藝方案：粗車內(nèi)外圓及端面－半精車內(nèi)外圓及端面－鉆端面螺紋底孔－攻螺紋去毛刺－精車內(nèi)孔及端面－磨外圓

3.2.2 主要加工步驟切削參數(shù)如表2所示。

選擇合理的刀具和切削參數(shù)及加工工藝方案的工藝步驟對工件進行加工，其結果滿足了圖紙的設計要求。

4 試驗結果

在對高溫合金Incone1625材料的連接軸進行加工的過程中，采用上述加工工藝方案進行加工，使加工效率有了大幅度的提高。特別是機夾可轉位刀片的廣泛應用，使涂層硬質(zhì)合金刀具應用越來越多，硬質(zhì)合金涂層后切削所用的時間也明顯的減少。涂層刀具的共同特點是硬度高，化學穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)小，因而切削力和切削溫度都較低，顯著提高了刀具的切削性能，涂層硬質(zhì)合金的耐用度比不涂層硬質(zhì)合金的耐用度至少提高1～3倍。

具有TiALN PVD復合涂層的刀具更適合于加工切削Incone1625。通過復合涂層可以增強刀刃的紅硬性、耐磨性和基體之間的附著力等，而且能使耐機械沖擊提高，從而對切削的壽命進行大幅提高。

5 結束語

采用涂層硬質(zhì)合金刀具和合理切削參數(shù)及加工方案，克服了Incone1625材料加工難點，滿足了零件的設計要求，提高了刀具使用壽命，節(jié)省了其加工成本。

參考文獻：

[1]任敬心，楊茂奎.《鎳基高溫合金的磨削特征》.航空學報，1997.06期.

[2]鄭文虎，張玉林.《難切削材料加工技術問答》.北京：北京出版社，2001.

[3]韓榮第，于啟勛.《難加工材料切削加工》.北京：機械工業(yè)出版社，1996.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文