某高溫合金高效銑加工研究

王 雨 武 佳 孫可婧

（沈陽黎明航空發(fā)動機（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

由于高溫合金材料屬高硬度、高韌性的難加工特點，高溫合金零件的銑加工中，通常會采用低線速度、小切深和小進(jìn)給，而且普遍使用涂層硬質(zhì)合金刀具。這樣加工刀具消耗大，加工效率低，給生產(chǎn)帶來很大的不便。以某重點機型后機匣加工組件的銑加工為例，加工材料為鑄造K4169材料，由于是鑄造零件，加工余量不均，為2mm～3mm不等，而且材料中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)鑄造硬點，屬于高溫合金中加工難度較大的一種。

目前的加工方案是采用側(cè)刃銑加工（如圖1），使用刀具直徑為12mm的進(jìn)口整體帶涂層硬質(zhì)合金銑刀，切深2mm～3mm，轉(zhuǎn)速300r/min，進(jìn)給30mm/min。

為了提高加工效率，降低加工成本，技術(shù)人員查閱了大量資料，參考其它零件成熟的加工經(jīng)驗，進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。

2 高溫合金銑加工難點及解決方案

2.1 高溫合金銑加工的難點

（1）加工硬化傾向大。以GH4169為例，未強化處理的基體硬度約為HRC37，切削后表面會產(chǎn)生硬化層，硬度增加到HRC47左右，硬化程度高達(dá)27%，其硬化深度約為0.2mm。加工硬化現(xiàn)象對刀具壽命又很大影響，易形成嚴(yán)重的邊界磨損。

（2）材料導(dǎo)熱性差。切削高溫合金時產(chǎn)生的大量切削熱由刀具承受，刀尖承受了高達(dá)800℃～1000℃的切削溫度，在高溫和大切削力作用下，將導(dǎo)致切削刃塑性變形、粘結(jié)和擴(kuò)散磨損。

（3）高溫合金中含有少量的鉭、鈮、鎢，而這些材料同時也是硬質(zhì)合金刀具的主要成分，所以加工時在高溫下會產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和磨料磨損。

2.2 高溫合金銑加工解決方案

針對GH4169材料的加工難點，經(jīng)過查閱大量資料，結(jié)合其它零件成熟的加工經(jīng)驗，準(zhǔn)備采取以下措施予以解決：

（1）增加潤滑，減小零件加工過程中刀具切削刃與零件切削部位的摩擦系數(shù)，以降低切削熱的產(chǎn)生量。

（2）充分冷卻，使刀具和零件在較低的溫度下加工，避免刀具在高溫下產(chǎn)生積屑瘤縮短刀具壽命。

（3）優(yōu)化加工參數(shù)，減少刀具與零件接觸時間。

以上三點措施中，為了達(dá)到增加潤滑的目的，我們在機床冷卻液中加入了乳化劑。其余兩點措施下文將著重介紹。

3 刀具切削過程中冷卻分析

高效加工最重要的一點就是刀具冷卻。如果是使用刀具側(cè)刃加工，刀具冷卻時間占整個加工周期的90%以上，使用外置冷卻系統(tǒng)即可達(dá)到冷卻要求。如果是使用刀具端刃加工，刀具端刃始終與零件加工區(qū)域接觸，使用外置冷卻系統(tǒng)可認(rèn)為刀具冷卻時間為零，無法對刀具做到充分冷卻，即采用端刃高效銑加工時就要求設(shè)備具備內(nèi)置冷卻系統(tǒng)。

4 加工參數(shù)選擇

在加工參數(shù)的選擇中，最重要的就是切削線速度Vc，其它的加工參數(shù)都是由切削線速度派生而來。根據(jù)材料性能，高溫合金理想的切削線速度通常為粗銑30m/min～50m/min，精銑60m/min～80m/min。而原有的加工方案中，切削線速度僅為11.3m/min，這個數(shù)值遠(yuǎn)低于理想?yún)?shù)。

根據(jù)切削線速度計算主軸轉(zhuǎn)速的公式為

（其中Sn為主軸轉(zhuǎn)速，Vc為切削線速度，D為刀具直徑）

使用Φ12銑刀粗銑時主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)該選擇在800RPM～1300RPM。考慮到側(cè)刃加工切削力比較大，應(yīng)該盡可能選擇大直徑刀具，按照通用性強的刀具選擇原則，Φ20銑刀較為合適，粗銑主軸轉(zhuǎn)速區(qū)間為477 RPM～795RPM。

另一方面，在每分鐘進(jìn)給量F的選擇上，計算公式為：

（其中Fz為每齒進(jìn)給量，nz為齒數(shù)）

每齒進(jìn)給量Fz是決定零件加工表面質(zhì)量的指標(biāo)，根據(jù)圖紙要求，以及實際切深切寬，一般選擇在0.02～0.2mm/齒之間。一般來講，側(cè)刃加工在切深切寬不太大的情況下，F(xiàn)z選擇0.1可達(dá)到6.3的表面粗糙度， 0.05可達(dá)到3.2的表面粗糙度。

5 加工實驗

（1）首次試驗

根據(jù)以上參數(shù)選擇可以看出，優(yōu)化參數(shù)以后的加工效率與之前相比可以提高10倍以上。在實驗驗證的過程中，由于選用的刀具為Φ20國產(chǎn)整體硬質(zhì)合金銑刀（不帶涂層），最終我們選擇了的主軸轉(zhuǎn)速為500RPM。根據(jù)圖紙要求我們將每齒進(jìn)給量設(shè)為0.1，為了提高加工效率，選擇了六刃銑刀，計算得到銑加工進(jìn)給量為300mm/min。

在首次加工實驗中，程序既有順銑又有逆銑，逆銑時零件震動較大，刀具磨損也較快。因此重新對加工方案進(jìn)行了優(yōu)化。

（2）改進(jìn)試驗

由于零件切深最大達(dá)到3mm，切寬為35mm，切深切寬均比較大，而無涂層刀具耐磨性較差，我們適當(dāng)減小了每齒進(jìn)給量，最終使用的進(jìn)給量為200m/min；此外，將全部程序均改為順銑加工。實際的加工效果達(dá)到了我們的預(yù)期，加工過程中零件震動小，刀具及零件溫度沒有上升，零件表面粗糙度也達(dá)到圖紙要求，加工效率提高492%；同時，使用國產(chǎn)無涂層刀具的加工效果與進(jìn)口涂層刀具效果基本相當(dāng)，而與原加工方案相比，減少刀具費用71.4%。

結(jié)語

（1）通過優(yōu)化加工參數(shù)，高溫合金材料零件可以實現(xiàn)高效加工，極大地提高加工效率。

（2）高溫合金材料零件高效加工采用合理且匹配地切削參數(shù)，不僅能夠提高加工效率，同時還可以減少刀具消耗，降低加工成本。

（3）高溫合金材料零件高效加工的前提是刀具和零件在加工中可以得到充分冷卻。

[1]朱煥池.機械制造工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]魏鑒梅.結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]工程材料手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.