基于車銑復合的高溫合金加工工藝研究

杜一男， 李洪平

（1.中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所， 北京 100095；2.空軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐北京地區第四軍事代表室， 北京 100041）

0 引言

隨著航空發動機性能要求的不斷提高， 對制造材料的耐熱性和耐腐蝕能力要求越來越高， 高溫合金作為在高溫下能長期穩定工作的高溫金屬材料， 已成為航空發動機領域不可或缺的材料，但由于其材料特性，如何高效率、 高精度地加工仍然是航空制造業亟待解決的重要問題之一。 近年來，隨著車銑復合加工中心的高效率，高精度，智能化及復合化的發展，為解決高溫合金材料的加工難題提供很大幫助。 然而車銑復合加工工序集中提高加工效率的同時，也存在工件加工變形恢復時間短、關鍵尺寸難滿足圖紙設計要求等問題； 若切削參數設置不合理也會影響表面加工質量。 所以高溫合金材料加工工藝的研究對我國航空航天事業的發展有著重要的現實意義與應用價值。

1 高溫合金GH4169 材料特性

高溫合金GH4169 的熔化溫度范圍為1260～1320℃，在-253～700℃溫度范圍內具有極高的穩定性， 并具有良好的高溫強度、硬度、抗氧化以及耐腐蝕性能，被廣泛應用于航空、航天以及新能源領域，主要化學成分與力學性能見表1、表2[1]。

表1 GH4169 的主要化學成分Tab.1 Main chemical composition of GH4169

表2 GH4169 的力學性能（室溫20℃）Tab.2 Mechanical properties of GH4169（room temperature 20℃）

GH4169 優良的力學性能也增加了其加工難度，主要表現在以下幾個方面：

（1）切削力大。 由于GH4169 的材料特性，在切削過程中，會產生較大的切削力，增加了刀具切削阻力。

（2）切削溫度高。 GH4169 的導熱系數小，散熱性差，在切削區，切削力又大，所以會集中大量的切削熱，形成很高的切削溫度。

（3） 加工硬化傾向大。 在切削溫度過高的情況下，GH4169 工件的加工表面會與周圍介質中的氮、氫、氧等元素形成硬脆層[2]，并且也會產生巨大的塑性變形，給加工帶來難度。

（4）刀具磨損大。 GH4169 的硬度高，難切削，而產生的過高的切削熱亦會加劇刀具的磨損，縮短刀具壽命。

（5）切屑難處理。 GH4169 強度高，塑性韌性大，導致切屑呈帶狀，易纏在刀桿上，不易脫落，影響切削，也不安全。

（6）切削變形大。在加工過程產生的較高的切削溫度和較大的切削力，會導致工件產生熱變形，加工精度很難保證。

2 車銑復合加工特點

車銑復合加工中心是配備了Y 軸的車削中心， 高扭矩動力刀和C 軸，動力刀選項可以驅動標準VDI 軸或徑向驅動刀，從而實現二級操作。車銑復合加工中心不僅僅是車削和銑削分別進行工件的切削加工， 而是也可以進行車銑合成運動來實現對工件的加工。 通過銑刀和工件的同時旋轉，提高了工件對加工精度、位置精度和加工表面完整性等多方面的要求。 車銑復合加工中心結構圖如圖1 所示。

與常規數控加工工藝相比，車銑復合加工具有以下幾個方面優勢：

（1）工序集中化，提高生產效率。 一般配有十幾個刀位的混合式刀塔，可以安裝多種刀具，減少裝刀和換刀時間，工序集中的車銑復合加工可以通過一次裝夾實現多道或者全部工序加工，縮短產品加工周期，提高加工效率，同時也減少了工裝卡具的制造周期和成本。

（2）降低裝夾次數，提高加工精度。 工序集中避免了由于多次裝夾而導致的誤差積累，不僅能提高加工精度，也能保證同軸度等形位公差要求， 并且機床性能也有所提高，主軸提供了較高的工件定位和重復定位精度。

（3）冷卻液充足，降低切削溫度。 車銑復合加工中心配備的刀座帶有冷卻液出水口，可以調整方向，在切削過程中持續為刀片以及加工表面降溫， 可以有效地解決高溫合金切削溫度過高的難題。

圖1 車銑復合加工中心結構圖Fig.1 Structural drawing of turnmilling machining center

3 加工工藝研究

3.1 刀具的選擇

3.1.1 刀具材料的選擇

切削難加工材料時，刀具的材料一般會選用高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷和立方氮化硼[3]。 其中，高速鋼硬度和抗磨損能力較高，一般用于銑削，但切削速度不宜過高，限制在30～45m/min，帶有涂層的高速鋼刀具使其切削性能和壽命方面有了很大的提高； 硬質合金在切削溫度過高的情況下仍然能保持高硬度，適合高速切削，被廣泛應用； 涂層硬質合金是在硬質合金上沉積非常薄的耐磨材料，在具有較高的熱硬性前提下，進一步提高了刀具的抗磨損能力，被廣泛應用；陶瓷具有較高的抗磨損能力，但是其對機床剛性、切削液以及工件材料都有一定的要求； 立方氮化硼雖然具有優良的抗磨損能力和使用壽命，但價格昂貴，不是刀具的首選材料。

根據高溫合金的切削特性以及刀具材料的使用工況， 切削GH4169 時刀具材料應選用鎢鈷類或含有難熔金屬化合物的硬質合金，也可選用低鈷超硬高速鋼[4]。

3.1.2 刀具幾何參數的選擇

前角：粗車時，不必保證加工精度，為了提高加工效率，切削深度會較大，前角可取大一些，但前角過大會使切削刃強度減弱，散熱條件變差，刀具使用壽命降低，一般在10°～15°之間；精車時，為了保證加工精度以及表面粗糙度要求，前角應取小些，一般在0°～5°之間。

后角：GH4169 散熱性差，切削溫度高，為了提高刀具使用壽命，減小后刀面與加工表面的摩擦，應選用較大的后角，可選10°～18°之間。

主偏角： 主偏角的大小影響切削力在徑向和軸向上的分力大小，主偏角增大時，徑向切削分力減小，軸向切削分力增大，切削GH4169 時應選用較小的主偏角，但主偏角過小會使徑向切削分力增加，容易引起振動，一般在45°～70°之間。

刃傾角：粗車、斷續切削和加工盲孔時，為了保護刀尖和向后排出切屑，刃傾角應為負值，一般為-10°；精車和加工通孔時，為了避免切屑劃傷已加工表面，刃傾角可取0°～3°。

刀尖圓弧半徑： 刀尖圓弧半徑應不小于最大進給量的1.25 倍，否則會出現刀片打滑，加工表面出現螺紋狀等現象，粗加工時，選用較大圓弧半徑，精加工時，選用較小圓弧半徑。

3.2 切削參數的確定

合理選用切削速度、進給量、切削深度的大小，在保證加工精度的前提下，提高加工效率，降低加工成本。

切削速度決定加工成本和加工效率，增大切削速度會提高加工效率，但同時會加速刀具磨損，增加加工成本。車削時， 根據機床的性能以及車削工件直徑取適合的切削速度值， 當切斷或切槽時， 由于刀片會與加工表面產生較大摩擦，應降低切削速度。

進給量與刀尖圓弧半徑是影響工件表面粗糙度的主要因素[5]，在切削過程中，若增加進給量，摩擦熱也會隨之升高， 難以保證加工精度，若進給量若過低也會降低加工效率，所以粗加工時選擇較大進給量，精加工時選擇較小進給量。 車削時，粗車進給量一般為0.1mm/r～0.5mm/r，精車時可取更小；銑削時，根據銑刀直徑選擇進給量的大小，每齒進給量選擇范圍為0.03mm/z～0.25mm/z。

切削深度與待加工工件的去除余量有關，粗加工時，應小于有效切削刃長度；精加工時，不宜過小，不應超過刀尖圓弧半徑值的1/3。

3.3 加工工藝路線設計原則

根據車銑復合加工中心的刀位數，在保證刀塔旋轉和切削時不會撞刀或撞到尾座的前提下，充分利用每一個刀位，盡量減少換刀次數，提高加工效率。合理安排加工路線，一般遵循先粗后精、工序集中、一次定位、先面后孔等原則。盡量通過一次裝夾便可實現零件的所有工序或大部分工序的加工，在縮短生產周期的同時又能提高加工精度。

在銑削高溫合金型腔時，若去除余量較大，工件在較大切削力的作用下易產生變形，要留精加工余量，為使工件有一段變形恢復時間， 在最后一道工序完成關鍵尺寸的精加工。

3.4 加工工藝方案確定

以GH4169 軸類零件圖2 為例，分析零件結構，確定其加工工藝方案。此零件內孔去除余量較大，為了提高加工效率， 利用銑刀和工件的同時旋轉來完成內徑φ18 尺寸的加工，8 個φ3.5 斜孔需要用到可調角度動力刀座進行加工， 零件可通過一次裝夾完成所有加工工序， 根據其加工精度以及表面粗糙度的要求，選取切削參數， 加工工藝方案見表3。

內徑φ18 加工工序編程舉例：

O00004； （程序編號）

圖2 GH4169 軸類零件Fig.2 GH4169 shaft parts

表3 加工工藝方案Tab.3 Processing plan

4 結論

本文基于車銑復合加工中心的加工特點與高溫合金的材料特性， 并根據理論分析與實際加工生產經驗結合，分析總結了切削GH4169 材料時刀具的選擇、切削參數的確定，加工工藝路線設計的原則，通過合理按安排加工工藝，解決了GH4169 軸類零件切削溫度高、切削變形大等難題，達到圖紙設計要求，并提高了刀具使用壽命。通過對高溫合金加工工藝的研究，以滿足航空發動機的性能要求。