细长轴类高温合金车削加工

赵惠光

摘 要：细长轴类零件是车削加工的一大难点，而高温合金材料也被制造业认定为车削加工难度大的材料，因而细长轴类高温合金车削加工面临更大的难度。基于此，本文以航空发动机高温合金GH4169螺栓的车削加工为例，首先讨论高温合金车削加工难点以及刀具选择，进而提出了硬质合金车刀进行车削加工的工艺。

关键词：细长轴类零件；高温合金；车削加工

前言

目前高温合金材料的车削加工工艺不断优化与创新，更多的新型刀具也逐渐被研发出来，高温合金材料的车削加工难点正在逐步克服，但还需要从车削加工刀具选择与加工工艺应用等层面加以优化，保证细长轴类高温合金材料的车削加工质量与效率。

1.高温合金车削加工难点及刀具选择

1.1加工难点

细长轴类材料的车削加工，容易在车削力及车削热的影响下产生材料形变，一旦材料形变，则刀具与零件之间的相对运动就失去了精准性，会对细长轴类的形状产生影响，还有可能导致工艺系统震動，影响零件精密性。高温合金材料的加工难度较高，所需要的车削力是一般金属材料的2倍左右；高温合金加工温度最高可达1000℃左右，表面硬度高，加工硬化问题严重；容易发生塑性变形，环境温度下，材料塑形变形的延伸率达到40%左右；加工中容易发生刀具磨损现象。基于高温合金细长轴类材料的加工难点，需要考量高温合金的具体性能，采用相应的刀具材料。

现有针对难加工材料的车削加工问题提出的解决措施包括：采用高性能刀具、优化刀具几何参数与车削用量、选用合理的热处理方法以及复合加工技术等方式。有研究表明，对于难加工材料进行处理，基于材料性能选用合适的加工刀具，采用高速车削的情况下，车削速度的提升可以减少车削抗力，提高材料表面加工质量，减少加工成本的投入[1]。

1.2刀具选择

本文所提出的细长轴类高温合金零件，为航空发动机的螺栓，采用高温合金GH4169材料，该材料是镍铬铁基高温合金，具有较高的固溶温度，抗疲劳、抗辐射、抗氧化、抗腐蚀性能较好，具备良好的加工性能与焊接性能，因而在航空、核能等工业领域中得到广泛使用。针对GH4169材料的车削加工刀具主要包括三种：①硬质合金刀具，具备较高的性价比，良好的导热性能与较高的硬度，当车削速度不超过45m/min时，会产生良好的车削效果，但如果车削速度随意提升，会产生大量的车削热，影响刀具硬度与韧性，导致刀具及材料变形；②聚晶金刚石具备较高的硬度与耐磨性，摩擦系数较低、弹性模量及导热系数较高。应用于实际的加工中，耐热温度不足，需要做好冷却与润滑处理，并且容易产生刀具磨损，并且控制车削速度在105m/min以下，以避免刀具发生粘结磨损现象。

1.3参数控制

①前角。前角会对车削过程中的材料形变及摩擦力产生影响，影响刀具强度。前角越大，则刀具越锋利，切削力与切削热越小，积屑瘤越少。同时，前角增大影响刀具强度，容易产生崩刃现象，提升切削温度，影响刀具寿命。为此可以将前角控制在5°～15°之间；②后角。影响刀具与工件之间的摩擦，影响刀具寿命及工件加工质量，可以将其控制在15°以上；③刃倾角。出于保障切削刃轻度与锋利度的考量，精密车削加工时刃倾角选择0°。

2.细长轴类高温合金车削加工工艺

2.1传统加工工艺方法与刀具

细长轴类金属零件本身的加工难度就比较高，而高温合金材料的细长轴类加工难度更高，以螺栓高温合金GH4169车削加工为例进行探讨。以往对材料进行车削加工时，加工工艺流程为：下料→粗车成型→磨外圆→螺纹滚制→铣扁→检查→氧化。车削加工采用的刀具包括机卡式外圆车刀以及车削钻床。

传统车削加工工艺的应用，存在零件加工之后工件形状不符合要求等现象，材料车削型面中存在变形问题。由于工件被固定，工件两端的距离始终不变，工件轴向伸长量被限制，细长轴就出现变形情况，而一旦变形情况产生，就车削工艺就难以再进行下去，工件的质量与加工效果难以保证。针对这种情况，以往采取的处理修复方式为：往往需要对工件形变现象加以修复，但受到工艺水平的影响，往往难以将其修复到应有的效果。传统的车削加工工艺较为复杂，且具有较大的随机性，可能会出现部分工件规格失控的现象。

2.2硬质合金车刀车削加工的优化效果

高温合金螺栓的车削加工处理，从车削加工的技术性及经济性的角度考量，可以采用性价比高的硬质合金刀具，基于高温合金车削加工的难点与所面临的问题，对传统车削加工工艺加以优化，采用整体硬质合金车刀，融合优化后的车削加工工艺。

对比传统高温合金材料车削加工工艺，以及整体硬质合金导杆及优化后的车削加工工艺，首先，优化后的工艺解决了传统高温合金材料车削加工中的变形现象，工艺中车刀浮动支撑，影响加工精度。整体硬质合金车刀的应用，避免车刀浮动支撑的弊端。采用整体硬质合金车刀，车削型面加以精镗处理时就足以应对这种现象，简化工件修复程序，保障车削加工精度；最后，以整体硬质合金加工工艺对螺栓进行车削加工实验，细长轴的形状得到了精准控制，提高车削加工质量与效率。对优化后的高温合金材料车削加工工艺进行该实验，与传统的车削加工工艺应用加以对比，确定优化后的高温合金材料车削加工工艺应用可以满足工件尺寸精度要求与技术要求[2]。

结语

以高温合金螺栓车削加工为例，综合考量细长轴类螺栓高温合金材料的加工难度，选择适用于该种高温合金材料的硬质合金刀具，结合整体硬质合金车刀及优化后的加工工艺，对传统工艺及优化工艺进行比对，明确硬质合金刀具在工件车削加工工艺中的所起到的效果，保证车削加工工艺的科学性。

参考文献

[1]吴雁玲，董春，任玉红，等.精密螺栓加工变形工艺研究[J].机械管理开发，2018（3）.

[2]王世威.高温合金涡轮后轴加工工艺研究[D].大连理工大学，2014.

（作者单位：贵州航天精工制造有限公司）