大型鍛件高效切削加工技術

摘要：大型零部件是清潔能源（如核電、水電）、石油化工以及交通運輸等行業極為重要的核。心部件。隨著國家經濟的發展，對大型零部件的需求與日俱增。因此，實現大型零部件的全部國產化是提升國家裝備水平的重要保障。但是，大型零部件的加工技術，特別是刀具技術一直是制約大型零部件國產化發展的主要因素之一。本文從大型零部件材料及其特性、大型零部件加工技術及重型切削技術現狀等幾方面進行探討，分析刀具技術在大型零部件切削加工中的重要地位，并提出重型切削刀具技術解決方案及展望，以期為實現大型零部件及其加工刀具高度國產化目標提供參考。

關鍵詞：重型切削；難加工材料；大型零部件；刀具技術；刀具涂層

中圖分類號：TG501 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2013）01-0014-08

0.引言

制造業是創造人類物質財富和社會文明的手段與源泉，是國家實現新興工業化的基礎保證，諸多學科的研究成果必須通過制造轉化為人類需求的產品和生產力。國家重大戰略工程必須由制造業的極端制造能力提供保證與支撐。近十年，我國高端裝備制造業已形成一定的產業規模，開發出了一大批具有知識產權的高端裝備，如百萬千瓦級超超臨界火電發電機組、百萬千瓦級先進壓水堆核電站成套設備、1000kV特高壓交流輸變電設備、±800kV直流輸變電成套設備、百萬噸乙烯裝置所需的關鍵裝備、超重型數控臥式鏜車床、精密高速加工中心、2000t履帶起重機等，已初步形成了高端裝備制造產業格局。但是與世界先進水平相比，我國高端裝備制造業仍存在較大差距，尤其在技術創新和制造能力等方面。圖1為石油、化工行業用的大型加氫反應器。

隨著我國石油工業、煤液化工業、核工業和核電站設備的發展，對大型、復雜零部件的需求量不斷增大，要求不斷提高，而且逐步向大型化發展。千噸級以上的特種耐熱不起皮鋼材質的加氫反應器的筒節零件制造工藝復雜，技術難度大；核島AP1000蒸發器水室封頭是目前世界上最先進、設備制造難度最大的三代核電站鍛件，其型面復雜、切削加工量大（如圖2所示）。雖然我國已經可以自主生產這些大型高端裝備的關鍵部件，但是落后的加工技術和刀具技術嚴重制約著加工效率和加工質量，導致生產成本高、資源消耗大等問題。

美國、德國、日本和原蘇聯等國對各種難加工材料進行了大量的切削實驗研究，并開發了適合于加工難加工材料的新型硬質合金刀具、陶瓷刀具和超硬刀具。目前，世界上只有少數發達國家能夠生產大型筒節、核電水室封頭等關鍵部件，其制造技術對我國實行嚴格控制和封鎖，針對大型難加工材料零件高效加工技術研究及刀具產品國產化問題已經成為開發大型零部件新產品的關鍵問題。因此，以重型筒節、水室封頭為典型零件進行高效切削加工技術和刀具技術研究，對我國化工/核電重大工程項目建設將具有重要現實意義和戰略意義。

1.大型零部件材料及其特性

1.1石油、化工領域大型零部件材料及其特性

加氫反應器是煉油、煤液化生產中的關鍵重大裝備，大型加氫反應器重達數百噸乃至上千噸重，是由幾段圓筒經加工后焊接而成，每段圓筒在加工中一般被稱為筒節，以加氫反應器筒節為典型零件，介紹筒節材料及其特性。加氫反應器屬于高溫高壓裝置，不僅尺寸大壁厚，而且材料采用抗拉強度特別高又耐熱的特種鋼。2.25Cr-1Mo鋼被廣泛應用于煉油化工行業的臨氫設備上，伴隨著冶煉技術的不斷發展，這種鋼的純潔性、勻質性、抗氫性能、抗回火性能和綜合力學性能也在不斷提高和改善，但在抗氫性能、抗蠕變性能和最高使用溫度方面，仍滿足不了某些場合需求。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼正是在此基礎上開發出來的新鋼種，且應用于加氫反應器的制造，這種新型鋼與普通的2.25Cr-1Mo鋼相比，各方面都有明顯的優越性：強度及需用應力、最高使用溫度、抗氫性能顯著提高，其化學成分如表1所示。

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼是一種低合金貝氏體耐熱鋼，顯微組織細小均勻，強度高，塑性好，耐高溫，在溫度超過450℃時仍能保持良好的高溫力學性能。合金元素的總量不超過6%，其在調質處理后，抗拉強度超過1GPa。并且具有熱韌性、紅硬性以及很強的抗氫化能力，切削過程中的切削力較大，切削區域產生的切削熱較多，加上此種材料的導熱系數小，導熱性較差，因此，切削溫度非常高（最高可達1000℃左右）。

1.2核電領域大型零部件材料及其特性

水室封頭是核島蒸發器的關鍵部件，形狀復雜，材料為難加工材料SA508Ⅲ鋼。SA508Ⅲ鋼是低碳合金鋼，是核電設備的主體材料，工作條件非常惡劣，在工作狀態下要承受射線輻射和熱輻射，同時還要承受非常高的壓力。國內某公司已經研制出了應用于核電設備的SA508Ⅲ鋼（化學成分如表2所示）。

SA508Ⅲ鋼因其具有強度高、低溫沖擊韌性良好和較低的無延性轉變溫度等特點，因此加工過程中易產生韌性較高的切屑，難以折斷的切屑纏繞在刀具上致使切削區域溫度升高，從而引起刀一屑粘產生粘結現象。依表2所述，SA508Ⅲ的成分并不復雜，由于用其制造的零部件（核島水室封頭）有特殊的要求（絕密性和精度高），因此其制造工藝要求卻非常嚴格，加工難度很大。

1.3大型鍛件材料中合金元素對材料性能影響

因為大型筒節、水室封頭這類大型零件工作環境的特殊性以及需要與其它零件進行組裝。因此，需要用到焊接工藝，而根據焊接工藝要求，材料一般需要含碳量較低的合金鋼。由于合金中含有許多諸如Cr、Ti、Ni、Mo、V等高熔點元素，這些元素固溶在鐵素體中，起到固溶強化的作用，保持了鐵素體具有良好的塑性和較高的強度。因此，給切削帶來極大的困難。又因為這些合金元素會與材料中其它的非金屬元素，如B和C等結合成具有高熔點硬化物，以及形成具有高韌性的金屬間化合物，因此，增大了材料在切削過程中的切削阻力。

為了達到強化基體、降低焊縫敏感性以及提高淬透性、改善低溫沖擊韌性和耐熱性等目的，通常在低碳合金鋼中添加了Mn、Ni、Mo等親鐵性鐵族元素，這些元素與硬質合金刀具中的Co元素為同族元素，在高溫環境下其親和性較強，切削過程中容易引起刀具磨損，甚至出現刀一屑粘結而最終導致刀具失效。

2.大型零部件的加工技術

2.1大型筒節加工性

大型加氫筒節尺寸巨大，直徑最大達12m以上，毛坯為直接鍛造而成，重量可達數百噸。可加工性非常差，有金屬夾雜、表面裂紋、鍛造坑包、鍛造鏟溝、表面折疊、氧化皮、硬而脆的網狀碳化物等鍛造缺陷。圖3為大型筒節毛坯鍛件與其表面鍛造缺陷。

重型切削與普通切削加工相比較，由于其切削加工過程有材料去除量和切削深度大等特點加上切削過程中產生的大型切屑厚且強度高，如圖4所示。其每次折斷瞬間均會對刀具產生非常大的機械沖擊，所以相對于常規切削，在加工技術方面有較為特殊的要求，比如刀一工件材料的匹配性選擇、刀具幾何參數優化、涂層技術和切削冷卻等方面。

筒節切削加工方式主要為車削。切削過程中，產生的切削力大，最大可達十幾噸，所以在車削時，對刀具、刀桿以及車床主軸強度是一個極大的考驗。由于鍛造缺陷的影響，筒節的粗加工是一種特殊的斷續切削，切削過程中刀具時刻承受驟變的機械沖擊和熱沖擊載荷。加上切削刀具的散熱條件差，導致刀具與切屑、刀具與工件間熱量的大量堆積，進而產生高溫（可達1000℃以上）而使刀具涂層過早磨損甚至產生刀一屑粘結破損現象。

2.2水室封頭加工性

水室封頭為帶支管的封頭類鍛件（比如：AP1000項目水室封頭有5個支管），形狀非常復雜，目前國內外能制造水室封頭的國家大多數還沒有能力成型鍛造水室封頭，制造方案大部分為整體加工成形，造成鋼錠利用率非常低（鋼錠重量近400t，交貨重量為38t，利用率不到10%）。

目前中國一重正在研究高效加工水室封頭的方案，主要有兩種：一種是鍛造出圓形封頭板毛坯重140t左右，進行粗加工，加工出規則的圓形鋼餅，然后對其加熱，再用萬噸水壓機進行沖壓，直接沖壓成水室封頭形狀重70-80t，再進行粗加工和精加工。另一種方案是現在常用的加工方案，即鍛造成圓柱體，然后全部用切削加工方式進行加工成品。

水室封頭切削加工以銑削為主，如圖5所示，材料去除量達70%。由于型面復雜，加工難度特別大，尤其是管嘴與封頭的相貫處，曲率是不斷變化的，需要用仿形銑刀進行銑削，加工質量也很難保證，在銑削完成后，還需要手工打磨加工比較粗糙的工件表面。水室封頭制造從毛坯到成品耗時為5個月左右，加工效率非常低。封頭分為上封頭和下封頭，上封頭管嘴較多，比較復雜；下封頭只有一個管嘴，相對簡單一些。

2.3大型零部件加工存在問題

1）大型零部件切削加工中，加工效率低、廢品率高；

2）大型零部件加工時刀具的選擇，及其切削參數均靠工人自己的經驗；

3）我國大型裝備及關鍵零部件的獨立制造能力和制造水平較差；

4）重型切削過程中，國產刀具使用壽命短，致使刀具國產化比率較低。

3.重型切削刀具應用與失效機理分析

3.1重型切削特點

重載條件下切削用量大，由于筒節毛坯表面鍛造缺陷的存在，在荒加工過程中刀片承受的機械沖擊載荷和熱載荷處于隨機變化狀態，例如：鍛造鏟溝產生的是驟變機械沖擊、氧化皮引起的是持續機械沖擊等，即：重型筒節切削是一種變周期接觸的斷續切削加工，相同時間間隔，刀片承受的切削力是時刻變化的，機械沖擊的動態變化量很大。在時有時無、驟變不定的機械沖擊載荷作用下，刀片更容易出現疲勞折斷。水室封頭加工以銑削為主，所以水室封頭切削加工一般為斷續切削。

重型切削加工過程中切削深度可達30mm以上，是中小型機床的10-15倍；切削速度一般為15-20m/min；切削力可達十幾噸，是普通切削的40-50倍；切削區域溫度能達到1000℃以上。

3.2重型切削過程中刀具主要破損形式

1）磨損

在重型切削中刀具的磨損現象很普遍。通常會出現磨料磨損、粘結磨損、擴散磨損這3種形式的磨損。

磨料磨損是一種加工過程中主要的磨損方式，通常大型零件的毛坯件主要是通過鑄造加工形成，所以在工件材料中往往會有各種雜質，如材料機體組織中的碳化物、氮化物、氧化物等硬質點在刀具表面刻劃出溝紋而造成，這樣就形成了磨料磨損。

粘結磨損由于刀具材料往往因為存在組織不均勻，內應力、微裂紋以及空隙、局部軟點等缺陷，所以刀具表面也常發生破裂而被工件材料帶走，形成粘結磨損。

擴散磨損是由于在重型切削過程溫度過高，刀具與工件被切出的新鮮表面接觸化學活性，化學活性很大，刀具與工件材料的化學元素有可能互相擴散，使兩者的化學成分發生變化，削弱刀具材料的性能，加速磨損過程。

正是由于在切削過程中磨損嚴重，所以如何降低磨損也是重型切削研究中的重要課題，通過給重型切削刀具涂層來實現降低磨損的有效手段。圖6為焊接式硬質合金重型車刀高溫磨損照片。

2）沖擊破損

刀具在重型切削過程中經常發生沖擊破損，這是一個隨機現象，因為在重型切削過程中切削深度和進給量都很大導致切削力很大，毛坯件的鍛造過程中會經常會出現材料不均勻，并且工件外表面存在鍛造缺陷。哈爾濱理工大學大學劉獻禮、何耿煌等人研究發現在筒節毛坯鍛件待加工表面上覆蓋有硬化層，在車削過程刀具承受很大的沖擊載荷，當沖擊力足夠大或者在某一個沖擊次數Ⅳ之下，刀具內部有缺陷的一個最弱處將首先發生破裂，這樣就行成了刀具的沖擊破損。圖7中為刀片沖擊破損情況。

斷續切削過程中，刀具切出工件時比刀具切人工件時受的力更大，刀具更加容易破損。近幾十年，已經有很多學者研究表明刀片在斷續切削過程中比在連續切削過程中更容易破損。國外，HOSHI和OKUSHIMA實驗驗證了斷續切削時，刀片切出工件時更容易折斷；LEHWALD和BECKHAUS也認為刀片切出工件對刀片的危害是最大的；國內，李振加、劉獻禮等學者研究了斷續切削過程中，切出時切削區域應力的變化和切出力矩的影響會引起剪切角的偏轉；李振加和程耀楠等教授針對三維復雜槽型波形刃銑刀片沖擊破損數學模型；程耀楠、高軍等建立了三維復雜槽型銑刀片受力密度函數，在此基礎上建立了應力模糊評判結果與沖擊破損切削參數之間的目標函數關系。哈爾濱理工大學劉獻禮、何耿煌對重型切削過程中大型切屑折斷行為進行了深入研究，發現大型切削折斷瞬間產生的機械沖擊載荷對重型刀具破損具有很大的影響，并建立了大型切屑折斷瞬間沖擊力數學模型，從而實現了切屑折斷力學行為的定量描述。

3）粘結破損

根據金屬學原理，異種鋼材間能不能牢固的焊接在一起，關鍵在于兩者的元素之間是否能相互熔解和擴散，即雙方間親和力的大小。影響相互熔解和擴散的主要因素是：雙方元素是否形成置換式固熔體，即原子尺寸、在元素周期表中的位置、電子濃度和相對熔點是否接近。硬質合金刀具的金相組織是由力學性能差異很大的粘結相和硬質相構成的，Co粘結相的屈服極限不高，因而在不斷的沖擊載荷作用下將產生變形，而合金中的WC硬質相，由于粘結相Co元素與工件中的Fe屬同族元素，故親和力較強，是形成粘結的關鍵因素。又由于重型切削往往會產生很高的應力和溫度，而高溫時硬質合金的強度降低，在銑削過程中，切人時，刀片前刀面受壓，切出時收拉，銑刀片在這種拉壓交變應力作用下，在刀、屑粘結處會發生撕裂，從而導致粘結破損。目前，主要是哈爾濱理工大學在做重型切削刀具粘結破損方面的研究，李振加、劉獻禮、鄭敏利、程耀楠等教授都做過相關研究。程耀楠、劉獻禮等專家提出造成刀具粘結的主要原因是波動熱-機械沖擊載荷，波動切削熱引起材料軟化，同時機械沖擊載荷促進切屑與刀片基體材料的相互滲透擴散，加速了刀具粘結現象的產生。圖8為重型切削過程中刀-屑粘結破損區微觀形貌圖。

3.3重型刀具技術應用分析

一般刀具材料的硬度應高于工件材料才能正常切削，重型切削刀具大多采用硬質合金刀具，但是硬質合金刀具在重型切削過程中，依然破損嚴重。為提高刀具壽命可選用硬質合金基底涂層刀片，硬質合金基體為刀具提供較好的抗沖擊韌性，刀具涂層強度高、耐磨性高，為刀具提供一層保護層，把刀具與切削熱隔離開，減少熱量傳遞到刀具，從而刀尖的堅硬和鋒利能保持較長的時間。涂層表面光滑還可以減少摩擦，降低切削熱的產生，隔離刀具材料使其不發生化學反應的作用。

刀具幾何參數和刀具槽型直接影響重型切削過程中刀具壽命。合適的刀具幾何參數可以減小切削力、切削熱，提高刀具抗沖擊性能；設計合理的刀具槽型有利于切屑的流出、增強散熱、改變切屑卷曲形狀、減輕切屑對刀具和工件的損傷。

在中國第一重機械股份公司現場調研過程中發現，刀具一般是通過技術人員或有經驗工人選擇，刀具應用種類單一，沒有合理的選擇依據。目前，中國一重應用的粗加工刀片有焊接硬質合金和涂層硬質合金刀具兩種。一重大型筒節粗加工使用的涂層硬質合金刀片是哈爾濱理工大學劉獻禮教授帶領重型切削技術小組在“863”項目中開發的，刀片如圖9所示，針對重型切削條件，特別設計了刀片的幾何參數、涂層、減磨措施和卷屑槽型。根據一重現場工人反應，這種刀片在實際加工過程中，抗破損能力增強，壽命明顯提高。但是關于重型切削加工技術和刀具技術的研究還不夠完善，其中很多重型切削機理方面的研究工作仍需進一步深入。

4.重型切削刀具技術解決方案

4.1重型刀具材料優選

在決定機械加工生產效率的主要因素——機床系統、刀具、工件中，刀具是最關鍵的因素之一。刀具技術是實現筒節荒加工高效性的關鍵技術，重型切削的發展在很大程度得益于新型刀具材料的誕生與發展。由于重型切削的切削深度多達30mm；切削力高達15t；刀尖處的切削溫度更是高達1000℃。因此，重型切削對刀具材料提出了更高的要求，除了具備普通刀具材料的基本性能外，還應當具備良好的高溫力學性能及抗熱一力耦合沖擊性能。

刀具材料的發展，實際上是提高刀具材料的耐高溫性能、抗磨損性能、切削速度和工件表面加工質量的過程。目前使用的刀具材料種類繁多，主要有金剛石、立方氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷、硬質合金和高速鋼等。研究表明，不同刀具材料在切削同一種工件材料時的失效時間和失效形態都有很大的差異，即每種刀具材料都有其特定的適用范圍。因此，在筒節荒加工過程中就存在著刀具材料與筒節材料的匹配性問題。

通過對刀具材料與筒節材料在力學性能、物理性能以及化學性能的匹配性進行分析研究，可知，適合重型切削的刀具材料應當具備耐磨損、抗沖擊以及良好的高溫穩定性能。力學性能方面，金剛石、立方氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷等硬度高，但抗彎強度低，抗沖擊性能差；化學性能方面，筒節材料是高溫高強度鋼，其V和C等親鐵元素含量高，在高溫下容易與金剛石、高速鋼等刀具材料發生高溫化學反應；物理性能方面，金剛石、CBN、金屬陶瓷等材料的導熱性能雖比較好，但其屬于硬脆性材料，韌性差，不適合余量不均的重型切削。硬質合金的導熱性能雖沒有金剛石和CBN優良，但其具有較低的摩擦系數，可有效降低切削力和切削溫度，因此，硬質合金具有良好的高溫性能穩定性、高溫韌性和抗熱一力沖擊性強等特點，適合重型切削。

硬質合金分為鎢鈷類（WC+Co）、鎢鈦鈷類（WC+TiC+Co）、鎢鉭鈷類（WC+TaC+C0）和鎢鈦鉭鈷類（WC+TiC+TaC+Co）。其中適合極限重載切削的硬質合金為鎢鈦鈷類（YT類）和鎢鈦鉭鈷類（YW類），因為它們具有高硬度、抗磨性好、耐高溫和較強的抗粘結擴散能力。但是，YT類硬質合金韌性比YW類差，低速車削時切削刃容易破碎，使用壽命短。

圖10為實驗室條件下YW類硬質合金刀具切削筒節材料破損照片，從損傷程度分析，切削過程中硬質合金的破損區域較小，抗刀一屑粘結性能較好。因此，硬質合金刀具適合重型切削加工的要求，利用其良好的機械性能提高切削速度，是實現筒節高效加工的關鍵因素之一。

4.2重型切削刀具結構優化設計

刀具結構的合理設計，能有效實現工件材料去除率與刀具使用壽命最大化目標。大型筒節毛坯的內外圓周偏心非常大，加工余量嚴重不均。荒加工階段刀具承受不均勻的熱一力耦合沖擊，這就要求刀具具有良好的抗疲勞設計以提高刀具性能保持能力和使用壽命；材料去除量大，產生大量的切屑，這就要求刀具設計有合理的控屑槽結構以產生理想的切屑；切削過程中，大量切削熱聚集在切削區域，因此刀具應當具備良好的散熱性能。同時，刀具應當有良好的重復定位性能，以減少加工輔助時間。圖11所示刀片為新型重型切削專用刀片。

如圖11所示，車刀為方形設計，這種形狀重復定位精度好，并且使切削刃的有效長度達到最大化，采用負倒棱切削刃，使切削更為平穩，更加適合重載切削大切深的要求。前刀面進行了優化設計，斷屑槽橫向截面設計為等腰梯形，有利于大型切屑的卷曲和折斷。其中過渡刃采用圓弧設計，提高了刀尖的抗沖擊破損能力，增強了切削區域抗疲勞性能。刀尖圓弧處設計了箭形凸起，進一步強化了刀尖抗疲勞和抗沖擊性能，同時對主副切削刃起到了有效的分隔作用，將大部分切屑導向主切削刃方向，保護了副切削刃。斷屑槽兩邊分別設計有橢球形凸起，該設計能減少刀一屑接觸面積，同時增加了刀片有效散熱面積，能有效的將熱量阻擋在刀體外部，使大量熱量隨切屑帶走，使刀片具有良好的散熱性能。

4.3涂層技術

目前，TiN涂層是最成熟和應用最廣泛的硬質涂層，工業發達國家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50%-70%，不重磨復雜刀具的使用率已超過90%，但是TiN與基體結合強度不及TiC涂層，涂層易剝落且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆、不耐沖擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優點。它在涂覆過程中可通過連續改變C、N的成份控制TiCN性質，并形成不同成份的多層結構，可降低涂層的內應力、提高韌性、增加涂層的厚度、阻止裂紋的擴展、減少崩刃。TiCN基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時的材料切除率可提高2～3倍。TiAlN是近幾年來開發的硬質涂層新材料，已經實現商品化，它的化學穩定性和抗氧化磨損性能好，用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時的刀具壽命可比TiN涂層高3～4倍。此外，TiAlN涂層中如果有合適的鋁濃度，切削時在刀具前刀面和切屑的界面上還會產生一層硬質的惰性保護膜，該膜有較好的隔熱性，可更有效地用于高速切削。其次是用Al₂O₃等做成的陶瓷涂層Al₂O₃具有優良的隔熱效果，具有低摩擦特性，可減少涂層組織的損耗，達到綜合利用各種涂層成分的優點使刀具獲得更好的綜合性能。而且，重型刀具可以應用多涂層、復合涂層、梯度涂層等涂層技術，綜合各種涂層的性能，提高刀具各項性能，從而提高刀具壽命。

5.結語

重型切削刀具技術的發展，尤其是刀具基體材料、刀片表面強化技術的發展是實現大型零部件高效切削的關鍵技術手段之一。目前，我國大型零部件（例如大型筒節、大型水室封頭等）的生產規格已經處于世界領先水平，但是切削刀具絕大部分為國外進口，究其原因，主要是國產刀具在性能方面無法適應重型切削過程中高壓和高溫的環境，致使刀具壽命短，嚴重制約著大型零部件生產效率，增加了生產輔助時間，提高了產品成本并最終導致國產大型零部件的國際市場競爭力低。通過分析，只有大力提升重型切削刀具的自主創新研發能力，提高國產刀具在大型零部件生產過程中的占有率，才能提高我國高端重型裝備的國際市場競爭力，從而使我國擺脫受制于人的困境。

（編輯：溫澤宇）