Inconel 718材料切削研究

■ 慶安集團(tuán)有限公司 （陜西西安 710077） 孔德瑞

Inconel 718合金材料是一種新型的航空金屬材料，與國(guó)產(chǎn)牌號(hào)GH4169相近，在低溫和700℃以下具有高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度以及抗氧化性。Inconel 718屬于鎳基高溫合金，合金中鎳含量為50%～55%，以國(guó)際鎳公司（Inco）標(biāo)準(zhǔn)為例，化學(xué)成分見表1。

此次加工Inconel 718合金是我公司首次加工此類材料，能夠用最低的成本和最高的效率完成加工，對(duì)公司來(lái)講既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，雖然這次試加工的兩個(gè)零件都比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)于試驗(yàn)加工效率以及成本統(tǒng)計(jì)來(lái)講是很好的例子。

1. Inconel 718 加工試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)條件 試加工機(jī)床選用某車削加工中心，主軸最大轉(zhuǎn)速5 000r/min，最大功率25kW。試驗(yàn)材料為Inconel 718，試件為棒料，冷卻方式采用乳化液內(nèi)冷。所選刀具為硬質(zhì)合金刀具，因?yàn)橛操|(zhì)合金的耐熱溫度為

表 1 Inconel 718化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

800～1 000℃，而高速鋼的耐熱溫度為500～650℃，從這個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)看，硬質(zhì)合金比高速鋼更適合加工鎳基合金。硬質(zhì)合金刀具切削Inconel 718的速度為20～30m/min,當(dāng)?shù)毒咭?0～200m/min 高速切削時(shí), 工件缺口處溫度的急劇升高會(huì)導(dǎo)致刀具邊緣過早變形或破碎。在本次試驗(yàn)時(shí)選用的刀具切削速度為刀具壽命比較理想的一個(gè)數(shù)值，然后通過金屬去除率結(jié)合刀具切削壽命統(tǒng)計(jì)出每片刀具所能去除的材料，從而計(jì)算出加工成本，同時(shí)可以通過相關(guān)的參數(shù)計(jì)算出在這種參數(shù)下對(duì)設(shè)備的功率要求。

（2）試驗(yàn)方案 對(duì)兩種不同零件進(jìn)行切削試驗(yàn)，記錄每種加工方式的切削參數(shù)。

1）零件1試驗(yàn)，采用唯一變量的試驗(yàn)方法進(jìn)行Inconel 718高溫合金進(jìn)行車削試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及刀具壽命測(cè)試結(jié)果見表2。

試驗(yàn)采用統(tǒng)一的線速度，每個(gè)零件外圓加工走5刀（見圖1），由于外圓直徑會(huì)變小，所以每刀時(shí)間略有變化，平均每刀時(shí)間為6.7min。所選的4種刀片來(lái)自不同品牌，但是都適合高溫合金加工，尤其是KC5525涂層，是一種具有PVD AlTiN涂層的細(xì)晶粒碳化鎢材質(zhì)，具有很好的抗變形能力，很適合高溫合金材料的斷續(xù)切削加工。在統(tǒng)計(jì)過程中，刀具每走一刀，檢查一次刀片完好度，或者是在切削時(shí)聽到切削聲音異常時(shí)，立即停止切削并檢查，以刀尖破損為標(biāo)準(zhǔn)更換刀片。

表2 同參數(shù)刀具壽命試驗(yàn)測(cè)試

圖1 零件切削加工

2）零件2試驗(yàn)，采用同樣的試驗(yàn)方式進(jìn)行試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見表3。

零件加工狀態(tài)如圖2所示，此零件與上一個(gè)零件相比增加了銑削程序，所用銑刀的涂層也是PVD-TiAlN多層復(fù)合涂層。從零件的最終試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，某品牌PVD AlTiN涂層中的KC5525涂層具有較好的壽命。

在試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)零件進(jìn)行檢驗(yàn)，所有尺寸和表面粗糙度都符合工藝圖樣要求，零件加工合格。

圖2 零件加工狀態(tài)

2. 刀具壽命與成本核算

根據(jù)切削速度計(jì)算公式vc＝（Dc×π×n）/100（m/min）、金屬去除量計(jì)算公式Q＝vc×ap×f（cm3/min）和每片刀具金屬去除量公式V＝Q×t（c m3），可以計(jì)算出刀片每個(gè)刃口金屬去除量分別為45cm3、33.75cm3、26.25cm3和48.75cm3，而此零件外圓的金屬去除量V總＝π×（D2－d2）×L/4 =144（cm3）。

試驗(yàn)中每種刀片都有4個(gè)刃口，結(jié)合上述數(shù)據(jù)可以計(jì)算出每個(gè)刀片平均加工零件1.1件，最好的刀片加工零件為1.4件。加工完的零件表面質(zhì)量及外形如圖3所示。

在普通的不銹鋼加工中，以最常見的15-5PH沉淀硬化不銹鋼為例，切削速度約為Inconel 718的2～4倍，切削深度ap約為Inconel 718的1.1～1.3倍，進(jìn)給速度約為Inconel 718的1.1～1.3倍，刀具壽命t約為Inconel 718的3～5倍。通過上面的計(jì)算公式可以算出相同的金屬去除量Inconel 718所用的刀具成本約為15-5PH的17倍。

圖3 零件表面質(zhì)量及外形

3. 所需機(jī)床功率計(jì)算

在兩個(gè)零件加工過程中機(jī)床負(fù)載平穩(wěn)，通過聲音等分析沒有表現(xiàn)出切削“吃力”的情況。在現(xiàn)有的切削參數(shù)下加工此類零件所需的機(jī)床功率可計(jì)算如下。

根據(jù)切削截面積計(jì)算公式A＝h×b＝ap×f（mm2）、主切削力計(jì)算公式Fc＝A×Kc×h－mc（N）和功率計(jì)算公式P＝（Fc×vc）/（60000×η）（kW）。

通過查閱相關(guān)資料可知，對(duì)于Inconel 718材料的Kc=2 900～3 000N/mm2，mc=0.25，在加工過程中機(jī)床效率系數(shù)約為η=0.75。結(jié)合圖4可以計(jì)算出在這樣的切削參數(shù)下所需功率P＝[（ap×f×Kc×（f×sink）-mc×vc]/（60000×η）＝0.53（kW）。

如果機(jī)床的負(fù)載需要控制在50%之內(nèi)，那么所需的機(jī)床功率約為1.5kW；如果機(jī)床的負(fù)載需要控制在30%之內(nèi)，那么所需的機(jī)床功率為2kW。這些數(shù)據(jù)只是針對(duì)硬質(zhì)合金刀具，當(dāng)使用陶瓷刀具切削時(shí)，由于線速度約為150m/min，此時(shí)所需功率約為3.18kW，所需的機(jī)床功率分別為7kW和11kW。

表3 同參數(shù)刀具壽命試驗(yàn)測(cè)試

圖4 切削理論示意

對(duì)于銑削和孔加工，通過相同的方法可以得出所需功率都小于車削時(shí)的功率。

4. 加工硬化對(duì)刀具壽命的影響

從圖1可以看出此零件還有一個(gè)內(nèi)孔，直徑為42mm，深度為72mm，對(duì)內(nèi)孔的加工也進(jìn)行了試驗(yàn)，孔加工選用了φ39mm的U鉆，刀片涂層為KCU40。根據(jù)刀具樣本資料顯示此涂層為TiNTiAlN-PVD復(fù)合涂層，適合加工不銹鋼和高溫合金。

在鉆孔時(shí)轉(zhuǎn)速為300r/min，進(jìn)給速度為0.05mm/r，根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，采用啄鉆。加工首件時(shí)，單刃口切削不到4min就嚴(yán)重破損，如圖5所示。分析其原因，切削一般金屬時(shí), 加工硬化會(huì)因溫度升高引起的軟化現(xiàn)象被削弱。但I(xiàn)nconel 718 的軟化溫度高, 軟化速度慢, 在刀具熱硬性允許的切削溫度范圍內(nèi), 其變形硬化程度遠(yuǎn)大于軟化程度。此外, 在較高的切削溫度下, 合金中的強(qiáng)化相從固溶體中分解出來(lái), 呈極細(xì)彌散相均勻分布, 使材料表面強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步提高，切削加工后, 合金的硬化程度可達(dá)200%～500%。所以在后續(xù)零件的加工中取消了啄鉆，結(jié)果每個(gè)刃口切削時(shí)間變?yōu)?4min，完全高于原來(lái)的刀具壽命。

圖5 磨損的刀具

5. 結(jié)語(yǔ)

Inconel 718鎳基合金的難加工性決定了對(duì)切削刀具性能的依賴，要實(shí)現(xiàn)高效快速切削，對(duì)刀具的要求更為苛刻。從眾多數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)有的研究來(lái)分析，硬質(zhì)合金刀具的PVD-TiAlN多層復(fù)合涂層的切削壽命最長(zhǎng)，此次試驗(yàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在常規(guī)切削參數(shù)下最好的刀片壽命約為13min，金屬去除量約為200cm3。通過與最常加工的15-5PH沉淀硬化不銹鋼的加工比較，可知加工Inconel 718所用的刀具費(fèi)用大約為加工15-5PH不銹鋼的17倍，

加工Inconel 718對(duì)機(jī)床功率也有一定的要求，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)機(jī)床的負(fù)載控制在30%時(shí)，機(jī)床的功率2kW就足夠，我公司所有車削設(shè)備的功率都＞5kW，所以當(dāng)使用硬質(zhì)合金刀具切削Inconel 718時(shí)，所有設(shè)備的功率都能夠滿足加工要求。但是在鎳基合金加工領(lǐng)域，也有很多人在研究陶瓷刀具以及立方碳化硼刀具對(duì)鎳基合金的高速切削，通過對(duì)比數(shù)據(jù)可以算出，如果以后加工需要用到陶瓷刀片，那么對(duì)設(shè)備的要求就會(huì)變高，功率要求需要＞11kW。這時(shí)車間的瀧澤NEX-108就不能滿足加工要求，可選擇NEX-115、TNL130AL等車床。

此外，Inconel 718的加工硬化現(xiàn)象對(duì)刀具壽命影響也比較大，所以在加工過程中選擇合適的切削方式對(duì)刀具的成本控制以及加工后的表面質(zhì)量都有很大的幫助。