K24鎳基高溫合金某零件鉆削參數研究

潘玉良 李炎臻

摘 要：高溫合金通常具有非常優良的物理和化學性能，但是合金中的“硬質點”卻給零件的機械加工帶來了相當大的困難，由于零件密度不均勻，加工時零件對刀具的沖擊很大，容易造成刀具的崩刃;而一些特殊化學元素的加入使刀具的磨損加快，刀具消耗量極高，極大地增加了加工成本和周期。該文要通過試驗，優化K24高溫合金的鉆削加工參數，從而提高零件的加工質量、加工效率并降低加工成本。

關鍵詞：高溫合金;K24;切削參數

中圖分類號：TG506? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

高溫合金也被稱為熱強合金、耐熱合金或超級合金，它以鐵、鎳、鈷金屬元素為基礎，鉻、鉬、鋁等金屬元素為主要成分，能在600 ℃以上的高溫及一定的應力作用下長期工作，具有優良的綜合性能。現代航空飛機制造業在制造飛機的發動機的材料上大量使用了高溫合金（大部分是極其難加工的鎳基高溫合金約占65 %），鈦合金大約占25 %，不銹鋼和其他材料只占10 %。鎳基高溫合金加工的工藝性能最差，不利于高速切削加工，為提高鎳基合金的加工效率需要積極地做好機械加工的切削參數試驗的優化。

發動機尾噴口零件以機薄壁件為主，比如支架、隔熱板、調節片、梁等零件。噴口零件通常結構復雜，尋找定位基準和工裝裝夾基準相對比較困難;由于其材料密度不均勻，相對于飛機發動機上其他的簡單結構零件，刀具耗損極快。因此，在實際加工過程中，尾噴口零件機械加工多采用鉆削加工的方式，通過對零件表面加工質量和刀具的消耗進行研究，進而確定鉆削的加工參數。該文主要通過“正交試驗法”綜合研究了切削三要素（切削速度v、背吃刀量ap和進給量f ）、零件表面加工質量、生產效率和刀具消耗量之間的關系，確定K24合理的鉆削參數范圍。

1 零件幾何結構分析

K24鑄造高溫合金以金屬元素鎳為基，在真空條件下熔煉而成。為了獲得優良的性能，K24合金在制備過程中采用各種工藝進行強化，而正是由于這些特殊的處理，使零件內部形成了密度不均勻的“硬質點”。這些“硬質點”的熱穩定性極高，能適應發動機尾噴口800 ℃以上的高溫環境。綜上所述，K24材料在發動機上適用于制造尾噴口零件。此類零件基本上都屬于薄壁結構件，且毛坯全部都是鑄件，鑄造能達到的最小的零件壁厚為0.8 mm。零件最終表面只有定位孔和安裝面，需要經過機械加工，其余表面均為鑄造表面。此類零件中定位孔的加工精度要求較高。由于零件在工裝的定位裝夾時找不到合理而且較為穩定的定位面，而且在夾緊力的作用下零件容易發生變形。當夾緊力撤銷后，零件變形恢復正常狀態并產生回彈，會極大地影響已加工表面的幾何精度，所以此類零件的加工工藝性較差。

該文以零件A為例，分析了尾噴口結構件的設計特點和加工特點。

某零件A需要加工的部位有：直徑為10 mm的孔、孔上面的凸臺面、孔背面的凹槽面、零件的四周邊界面、大圓弧表面以及直徑為0.5 mm的小孔，其中Φ10孔的位置要求為0.1 mm、直徑為10 mm的孔對空間點對稱度要求是0.3 mm，加工零件時所涉及的工種主要有銑工、鉗工和電加工工。這其中難以加工的部位是直徑為10 mm的孔和孔的上下表面。在直徑為10 mm的孔和孔的上表面時，必須選擇零件最大的定位面——大圓錐表面，但此表面為鑄造表面，屬于零件最終成形的表面，零件最終要求表面輪廓度為0.8，鑄造所能達到的最理想表面輪廓度是0.5，這樣的表面對于零件的定位還缺乏穩定性和可靠性。所以此零件的結構特點是壁薄、孔的技術條件要求高、用空間點起基準結構復雜、加工基準精度差。

2 零件工藝分析

薄壁零件的工藝路線必須經過精心設計。尾噴口零件定位時需要對定位表面進行處理使之與夾具配合表面接觸更充分，從而提高零件定位精度，并減小加工時刀具的振動。

以零件A為例，其工藝路線安排如下：檢查毛料→振動標印→打磨定位圓錐表面→銑平面并鉆孔→锪加工孔背面臺階→銑端面大圓弧→銑四周輪廓面→鉆小孔→去重熔層→最終檢驗。

零件A在未正式加工前，先進行修基準工序。零件加工的穩定性和基準的穩定和準確性有關，而加工的穩定性對加工切削參數試驗的正確性影響很大。另外，如果加工穩定性差還會增加零件尺寸和技術要求的保證難度;對刀具的壽命也十分不利，會增大刀具的磨損，嚴重的會使刀具產生崩刃。所以，尾噴口結構件工藝安排上的一個主要特點是先進行基準修磨工序。

零件A的工裝設計對其加工時的穩定性會產生較大的影響，根據工裝設計原則，選擇零件A的大錐面做定位，限制工件的3個自由度，再根據直徑為10 mm的孔距側面的尺寸要求，選擇側面做止動面，然后再用壓板壓緊零件就可實現裝夾意圖。但由于此零件設計時多以空間點起尺寸，造成了孔的定位尺寸在空間中呈二面角的布置，為了將孔的中心線擺正，夾具必須擺二次角度，首先利用夾具底面將錐角落下，再利用夾具對稱中心的旋轉軸將零件左右轉動，從而實現在立式三坐標數控機床上加工空間二面角的目的。

在零件加工時，將夾具找正，零件放入錐面內靠住側面止動面，再將夾具中心線與零件劃線后的中心線的位置調至重合，壓緊壓板后，零件和夾具一同進行二位轉動，每一個位置實現加工2個孔，2個位置就能實現加工4個孔。

基準平面準備完畢后，零件A可以正式進行加工。由于Φ10孔的上臺階面加工前是鑄件的澆注冒口，根據工藝布置“先面后孔”和“工序集中”的原則，將銑平面和鉆孔集中安排成一道工序，既節省了零件的周轉時間，又保證了直徑為10 mm的孔和上臺階面的加工一致性，為后面的工序準備了較為準確的基準。尾噴口結構件工藝安排上的第二個特點是盡量進行基準轉換，將鑄件表面的毛面基準轉換為機加表面進行后續工序的加工工作，提高零件加工質量，也便于夾具設計和制造。實際上，在加工過程中，能獲得比較精準的平面定位一直是工藝路線安排的首選原則，如果不能獲得大平面基準，采用“三點”定位加上輔助支撐也是比較好的方案。

尾噴口結構件工藝安排的第三個特點是電加工應用較多。目前主要的電加工手段有線切割、電脈沖成型、激光打孔等幾種形式，在尾噴口結構件大多應用在非重要、非基準表面的加工上。其最大特點和優勢是切削力小、切削變形小;最大弊端是電極在放電時在加工表面形成重熔層，深度有0.03 mm～0.05 mm，它對零件表面疲勞強度的影響極大，嚴重的會使零件表面產生裂紋，從而引發零件更嚴重的缺陷。為了減小重熔層的危害，一般在電加工工序后安排去重熔層工序，使電加工表面光潔，從而降低零件表面應力，并提高疲勞強度。

3 鉆削參數試驗

3.1 試驗的基本條件

使用PSC2T-1000型直徑為8 mm合金鉆頭進行加工余量為5 mm的鉆孔試驗，使用充分澆注乳化液的冷卻模式。

3.2 試驗方案

該文研究鉆削過程采用的是2因素（v、f），3水平正交試驗，用直徑為8 mm合金鉆頭對鎳高溫合金材料的零件A進行了鉆削試驗。首先，實驗條件在水平1時，進給量f為10 mm/min，切削速度v為550（v1=13.81） m/min。其次，改變試驗條件在水平2時，進給量f為8 mm/min，切削速度v為650（v2=16.32） m/min。最后，再次改變實驗條件至水平3時，進給量f為6 mm/min，切削速度v為750（v1=18.84） m/min。

3.3 結論

根據鎳高溫合金材料零件A的切削參數試驗數據，繪制刀具耐用度曲線如圖1所示。依據耐用度曲線分布和單件成本數據分析如下：隨著進給量f的增大，刀具耐用度逐漸變小;隨著切削速度v的增大，刀具耐用度逐漸變小;切削速度在A區時刀具耐用度變化幅度比在B區大，由于速度降低，耐用度的提高效果不會太明顯;綜合考慮加工時間成本和刀具消耗成本，零件A的鉆削參數應優先選擇速度為13.81 m/min、16.32 m/min和進給量8 mm/min、10 mm/min的組合，即序號為1、2、6、7、8的參數組合。

在實際加工中，被納入工藝規程和數控操作說明書的參數是S=640 mm/min、F=9.5 N，零件加工時間平均保持在1.9 min左右，刀具消耗為1/26。按此參數加工出來的零件的鐵屑大多呈60 mm左右的卷屑。

參考文獻

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