鎳基高溫合金零件車削加工

■ 中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司 （貴州貴陽 550009） 易震海 黃一凇

1. 現狀與問題

在生產加工中，遇到如圖1所示零件結構，該零件材料為高溫鎳基合金Inconel 718，材料標準為AMS5662。

該零件使用φ63.5m m×122mm棒料加工，為減小零件的加工余量，安排粗加工工序先將內孔加工到φ28～φ28.5 mm，再使用數控車床加工，工序步驟如下：粗車外圓、外錐面、端面→ 半精鏜內孔 → 精鏜內孔 → 精車外圓、外錐面、端面 → 切斷。

該零件的主要加工難點為外錐面的切削余量大，單邊要去除3.5～11.7mm的大余量，由于零件材料Inconel 718鎳含量為50%～55%，鉻含量占17%～21%，可以看出切削加工性很差，粗車外圓、外錐面、端面時最初分別選用了多種刀片加工，但都是每兩個刀片刃部僅能加工一個零件，即在粗車過程中，先將零件外圓、外錐面加工一半，然后更換刀具加工剩余的一半，其余工步加工需每加工2～3個零件更換一次刀具。

圖1 零件結構及尺寸

刀具磨損情況如圖2所示，堆積在刀具前面近切削刃處的硬楔塊形成積屑瘤，積屑瘤脫落時會引起切削刃破損，由于刀具選擇不合理，加工時刀具磨損相當嚴重，換刀相當頻繁，增加了操作者的勞動強度，降低了生產效率。

圖2 刀片磨損

2. 粗車外圓刀具的選擇

根據高溫合金的性質及其加工特點，切削時必須選擇合適的刀具材料、合理的刀具幾何參數、合理的切削用量及切削液使用方法。

（1）刀片材料選擇 切削高溫合金時應選用耐熱性好、抗彎強度高、耐磨、導熱性能好及抗粘結性好的刀具材料，如硬質合金、立方氮化硼及氮化硅陶瓷等，經過對比試驗，選用合適的硬質合金刀具，加工成本較低。

選擇的用于車削加工鎳基高溫合金外圓、端面用粗車刀具為SAFETY公司的型號為WNMG080412-M7 9605刀片，該刀片基體材料為亞細晶粒硬質合金，粒度＜1.0μm，合金基體硬度為90～93.5 HRA，表面采用4μm 厚度的TiAlN（氮化鋁鈦）涂層，帶涂層合金表面硬度為2 000HV，具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、涂層附著力強、摩擦系數小及導熱率低等優良特性，適合于高溫合金、鈦合金及高強度不銹鋼加工。

（2）刀具結構及幾何參數 高溫合金粗車時切削力大，為增強刀具強度，選擇了0°前角槽形刀片，刀具后角為0°，刀尖半徑1.2mm，刀尖角80°，在保證刀具強度的同時，選較大的主偏角95°,減少主刃切削寬度，增加切削厚度，減少加工表面硬化現象，降低切削刃磨損，提高刀具使用壽命。

由于高溫合金塑性好、強度高，切屑易卷曲，切屑易纏繞在工件或刀具上，故需在刀片上制造斷屑槽進行強制斷屑，如圖3所示。

圖3 粗車刀片斷屑槽

該刀片刀尖處有0.2mm寬的刃口，與0°后角形成良好的支撐，增強了切削刃的強度；和刃口緊鄰的倒角和圓弧面利于切屑成形和卷曲，因而得到更好的切屑流動并減少摩擦，減少振動和使切削溫度降低，從而使工件切削處的切削力和剩余應力減小。

刀尖半徑會影響到切削刃強度，粗加工選取大刀尖半徑（R0.8mm或R1.2mm）可獲得高強度切削刃，并可選擇較大的進給量和切削深度，從而獲得較高的刀具壽命和高金屬去除率。

（3）粗車切削參數 在高溫合金加工過程中，隨著切削速度的增加，切削溫度會升高，為避免切削溫度過高，應采用較低的切削速度；由于高溫合金加工過程中易產生硬化層，為避免切削刃和刀尖劃過硬化層，切削深度約為刀尖半徑的1/2，外圓、端面粗車參數見表1。

3. 精車外圓刀具的選擇

（1）刀具材料及結構 精車外圓刀具與粗車外圓刀具的材料相同，但由于切削余量較小，切削力相對較小，為獲得鋒利的刃口，必須采用較大的前角。增大刀具的前角可減小切屑切離和清除過程中所遇到的阻力，并減小切削熱，但前角過大則刀頭散熱體積減小，切削溫度反而升高。實踐表明，取前角15°～20°最為合適。

在選擇后角時，后角過小容易和工件表面產生嚴重摩擦，使加工表面粗糙度惡化，加速刀具磨損。并且由于強烈摩擦，加強了高溫合金表面加工硬化效應；刀具后角也不宜過大，后角過大，使刀具的楔角減小，降低切削刃的強度，加速刀具的磨損。

精加工選擇較小刀尖半徑可獲得較高的表面質量，經試驗，選擇高溫合金精車刀片型號為CCGT09T302-PM2 9605，為正前角槽形刀片，刀具前角18°，刀具后角7°，刀尖半徑0.2mm，斷屑槽幾何形狀如圖4所示。

對于鏜孔工步，由于在鏜孔前已進行鉆孔加工，故鏜孔僅分為半精鏜孔和精鏜孔，半精鏜選擇刀尖半徑0.4mm，刀片型號為CCGT09T304-PM2 9605，精鏜刀片與精車外圓刀片型號相同。

表1 粗車切削參數

圖4 精車刀片斷屑槽

（2）切削參數 在高溫合金加工過程中，半精加工及精加工的切削速度也不宜過高，切削深度不能過高，也不能過低，須在合理范圍內，切削參數見表2。

（3）其他車削要素 對于高溫合金切槽、切斷和車螺紋等，也進行了工藝試驗，選擇了合適的刀具及工藝切削參數，見表3。

4. 切削液

切削高溫合金時，為降低切削溫度，提高刀具耐用度，應使用切削液。選擇的切削液應不含硫，以避免在切削過程中造成晶間腐蝕，我們選擇了馬思特公司型號為TRIM SC310的切削液，該切削液為高油半合成型，pH值為9.6，具有良好的濕潤性、冷卻性及防腐性能，并含有機械潤滑作用的化學表面活性劑，能夠滿足高溫合金的切削及冷卻要求。

高溫合金加工刀具磨損大，故原則上分粗、精加工，以減小切削余量，工藝路線安排如下：下料 → 熱處理（按需） → 粗加工 → 半精及精加工 → 去毛刺 →標印 → 清洗 → 滲透檢查 → 清洗 → 檢驗 → 包裝。在加工過程中注意以下幾點：

1）當設計圖中有熱處理要求時，在下料后機加前安排熱處理工序。

2）回轉類零件可用鉆孔、車削等方法進行粗加工，單邊留余量1～2mm。

3）零件較大或形狀復雜時可用線切割方法進行粗 加工，單邊留余量1～2mm。

4）半精加工及精加工原則上安排在同一設備上進行，選擇不同的刀具及切削參數。

5）機加工序完成后安排滲透檢查工序，以便于檢查零件材料是否存在缺陷。

5. 結語

經過大量的工藝試驗工作，對鎳基高溫合金零件車削加工的全過程進行了工藝研究，選擇了合適的切削刀具，摸索出了一套合理的工藝參數，滿足了高溫合金零件車削加工要求。

表2 半精及精車、鏜工藝參數

表3 刀具及參數