冷切削加工高温合金实践

2019-09-10鲁柱

河南科技 2019年28期

鲁柱

摘要：高温合金属于机械加工中较难加工的材料，冷切削加工性能差。经过长期的实际切削加工，研究总结这种材料的车削、磨削、钻削、铰削四种冷切削加工过程，并给出安全高效切削状态下的刀具几何参数、切削要素参数和加工注意事项，以期为相关学者的研究提供借鉴。

关键词：高温合金;冷切削;加工技术

中图分类号：TG506;TH16 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）28-0059-03

Practice Study on Cold Cutting of High-temperature Alloy

LU Zhu

（Suzhou Technical Institute，Suzhou Jiangsu 215009）

Abstract： High-temperature alloys is a kind of material which is difficult to be machined in machining， and its cold cutting performance is poor. After a long period of practical cutting， the cold cutting processes of turning， grinding， drilling and reaming of this kind of material are studied and summarized， and the geometric parameters of cutting tools， cutting element parameters and processing precautions under safe and efficient cutting state are given， in order to provide reference for the research of relevant scholars.

Keywords： high-temperature alloy;cold cutting;processing technology

1 概述

高温合金又称耐热合金，具体指耐热钢及镍基、钨基、钴基、铁-镍基高温合金，具有优良的热稳定性、高温强度和抗热疲劳性能，被广泛应用于高温和深冷的工作环境中[1]。镍基高温合金材料特性是抗高温氧化性能最稳定，切削加工性差，最常見材料为K640。钴基高温合金材料特性是高温强度高，能耐高温1 000 ℃，切削加工性优于镍基合金，应用最多的是GH4169、GH4033和K403。铁基高温合金材料特性是抗氧化性不如镍基和钴基高温合金，而最大的优点价格便宜、加工性好，常用的牌号为GH2036和GH2135。铁-镍基高温合金材料特性为耐腐蚀，镍的含量比镍基合金低，比铁基高，使用最多的牌号是GH1040。镍基、钴基、铁基、铁-镍基四类高温合金中，产量最大、应用最广泛的是镍基高温合金。根据材料用途和合金的基本形成方式，高温合金又可分为变形高温合金、焊接高温合金、铸造高温合金、弥散强化高温合金和粉末冶金高温合金。高温合金中由于含有铁、钛、铬、镍、钒、钨和钼等多种高熔点合金元素，构成了基体纯度和密度高的奥氏体合金;其中，部分合金元素又与非金属碳、硼、氮等构成硬度高、熔点高、密度小的化合物。高温合金的相对加工性Kv为0.2～0.5，只占45钢的5%～20%[2]。高温合金切削加工性极差，主要表现在塑性变形大、切削力大、切削温度高、冷硬现象严重，刀具极易产生黏结、扩散、边界和沟纹磨损。

2 高温合金的冷切削加工技术

高温合金冷切削时，首先要考虑刀具，刀具材料应该具备高硬度、耐磨性、抗弯强度、导热性、抗黏结、抗扩散和抗氧化等性能。然后再考虑刀具的几何参数，重点根据高温合金的切削特点和刀具材料的性能、种类综合考虑。这主要是为了克服高温合金塑性、韧性、热强性高，且切屑不易卷曲和折断的加工难题。其次要考虑切削用量，确定切削三要素：切削速度、切削深度和进给量大小。切削速度受到刀具寿命和高温合金种类的影响，尽可能避免加工硬化，切削深度不能太小;进给量的大小选取也要考虑加工硬化。再次，选择合理的切削液，降低切削温度，防止黏结，提高加工效率，保证加工表面质量。最后总结应注意的问题，也应从保障加工安全、提高加工效率的角度考虑。

2.1 高温合金的车削

若采用普通高速钢车削高温合金，刀具的耐用度很低[3]。一般都会采用含钴、含铝的高钒和高碳高速钢，刀具耐用度相对比较高[4]。实际生产中使用最多的是硬质合金车刀来车削高温合金，应选用YG类细颗粒或超细颗粒的硬质合金，如YG6X、YG8、YG10HT、YM10（YM4）、YD15、YS8（YM051、YM052）、643、712、726、813等。理论上这些硬质合金车刀的前角[γ0]=10°，精车时[γ0]=0°～3°，实际车削时，前角[γ0]=5°。同时，为了保证良好的断屑效果，刀刃形式多为直线圆弧形和圆弧形，但不允许有锯齿状缺陷，一般不磨出负倒棱，使得刀刃锋利耐磨。高速钢车刀切削高温合金时前角[γ0]=12°～18°，后角[α0]=10°～15°，主偏角[kr]=50°～70°，粗车时刃倾角[λs]=-5°～0°，精车时刃倾角[λs]=0°～3°。用硬质合金车刀切削高温合金的最佳切削速度[v]=15～55m/min，若高温合金是铸造出来的，切削速度应取较低，而变形高温合金则采用较高的切削速度。粗车时，背吃刀量[ap]=2～6mm，精车时，背吃刀量[ap]=0.2～0.5mm。为了避免在加工硬化层上切削，进给量应不小于0.1mm/r。

车削高温合金时，必须使用切削液，选择合适的切削液可以使切削温度降低约25%。通过实践证明，高温合金的车削加工过程中，硬质合金车刀应使用极压切削油或乳化液，而高速钢车刀应使用水溶液，这样的降温和润滑效果最好。需要特别指出的是，对镍基高温合金不能使用含硫的极压切削液，以免造成应力腐蚀而降低疲劳强度。

应注意的问题：①应尽可能采用硬质合金刀具来车削高温合金，注意刀具刃磨质量，使各刀面表面粗糙度[Ra]<0.4μm，刃磨后的刀刃最好用油石研磨一下消除锯齿状缺陷，提高刀具的耐磨度;②为避免在加工硬化层上车削，进给量不得小于0.1mm/r，切削深度不得小于0.2mm;③持刀刃锋利避免加工硬化的产生，刀具磨钝标准不得超过0.2mm;④采用高速钢车刀切削时，严防出现切削表面的加工硬化而带来的切削困难，应坚决避免车刀在切削表面的停留。

2.2 高温合金的磨削

磨削高温合金时切深抗力大于主切削力，磨削温度为1 000～1 500℃，加工硬化严重，极易产生磨耗磨损和黏结磨损，所以高温合金的磨削具有一定难度[5]。高温合金的粗磨采用白刚玉砂轮，精磨采用单晶刚玉砂轮，内圆磨采用镨钕刚玉砂轮。若有条件，也可采用CBN砂轮，内外圆的精磨效果更佳。精磨采用[60#]～[80#]细粒度，在进行粗磨、内孔磨、端磨和薄壁磨削采用[40#]粗粒度，都采用散热较为理想的陶瓷结合剂。

磨削高温合金的砂轮线速度[νc]=16～22m/s，工件或工作台线速度[νw]=20～35m/min;粗磨单行程[ap]=0.01～0.03mm，精磨[ap]=0.003～0.005mm，平磨[ap]=0.015～0.025mm;平磨横向进给量[fc]=1～6mm，外圆和内圆磨横向进给量[fc]=1/10～1/5（砂轮宽度）mm/r。相应地如果使用CBN砂轮时，[νc]=25～40m/s，平磨横向进给量[fc]=0.1～30mm，[νw]=15～40m/min，粗磨[fc]=0.025～0.05mm，精磨[fc]=0.015mm。

应注意的问题：①磨削高温合金将产生大量的磨削热，所以必须加注充足的冷却液，以便及时降低工件的温度并及时冲洗工件;②为了保证磨削质量和效率必须要多次修整砂轮保持砂轮锋利;③精磨前要对修整好的砂轮进行预磨，待砂轮表面稳定后才开始精磨;④采用大深度大走刀法修整砂轮，以提高砂轮耐用度和磨削效率。

2.3 高温合金的钻削

钻削高温合金的钻头应选用超硬高速钢和YG类或钢结硬质合金材料，一般钻头的顶角2¢=138°，[γ0]=9°～12°，[α0]=10°，整体锥度1/1 000～1.5/1 000。钻头刀刃宽度和横刃刃磨时要尽可能小，减小切削抗力[6]。钻削高温合金还有可转位浅孔钻和镶硬质合金刀片的S型钻，这两种钻头无横刃，轴向抗力很小，且在两条切削刃上各有一个冷削液的出孔，冷却润滑效果好。

钻削的切削用量主要是钻削速度[νc]和进给量[f]，高速钢钻头的[νc]=4～8m/min，[f]=0.06～0.12mm/r;硬质合金钻头和镶硬质合金刀片的S型钻的[νc]和[f]相差不大，[νc]=5～16m/min，[f]=0.04～0.1mm/r;可转位浅孔钻的[νc]=15～20m/min，[f]=0.08～0.15mm/r。

应注意的问题：①小孔径钻削应选用整体式或镶片式硬质合金钻头加工[7-13]，¢28～¢76mm的中孔径孔应选用可轉位浅孔钻加工，¢76mm以上大孔径孔不宜直接钻削;②钻削时对于[νc]和f来说，一般采用低的[νc]和较大的f，当f=0时，要快速使钻头脱离切削表面，以免使切削表面硬化加剧，造成钻刃的快速磨损;③新刃磨的钻刃要用油石研磨消除锯齿状缺陷保持锋利耐用，磨钝标准也应比钻削一般材料小0.3～0.5mm;④高温合金的钻削必须使用切削液进行冷却润滑，但要注意对镍基、钴基高温合金钻削时，禁止使用硫化油做切削液。

2.4 高温合金的铰孔

高温合金的铰孔使用最多的是YG类硬质合金铰刀，而变形高温合金和的铰孔就要使用高速钢铰刀。铰刀[γ0]=0°～5°，[α0]=6°～8°，通孔铰刀的切削锥为15°，盲孔铰刀的切削锥为45°。圆柱部分的刃带宽度应小于0.1～0.2mm，切削刃[Ra]<0.1μm。硬质合金铰刀的[νc]=3～15m/min，[f]=0.07～0.5mm/r;高速钢铰刀的[νc]=2.5～5m/min，[f]=0.1～0.3mm/r。磨钝标准0.2～0.3，比铰削一般材料要小。使铰刀保持锋利。切削液一般选用乳化液、电解切削液或防锈冷却液。

应注意的问题：①使用YG类硬质合金铰刀进行高温合金的铰孔时，一定要注意转速，应该比一般材料的转速都要低，防止发生扎刃的现象;②高温合金的铰孔余量单边应不大于0.1mm，余量过大容易使切削表面加工硬化，从而造成铰刀刃快速磨损，缩短铰刀使用寿命;③新刃磨的钻刃要用油石研磨消除锯齿状缺陷保持锋利耐用，磨钝标准也应比钻削一般材料小0.3～0.5mm;④高温合金的铰孔和钻孔一样，必须使用切削液进行冷却润滑，但要注意，对镍基、钴基高温合金进行铰孔时，禁止使用硫化油做切削液。

3 结语

高温合金是典型的难加工材料，也是制造装备行业常用的材料。经过长时间的实际加工，对四种冷切削加工方法进行总结：一是高温合金的车削加工;二是高温合金的磨削加工;三是高温合金的钻削加工;四是高温合金的铰削加工。就四种加工方法的刀具几何参数、切削参数选择及实际加工中应注意的问题给出一些具体的经验。

参考文献：

[1]钱子亮，贾艳丽.高温合金材料冷加工技术[J].航空制造技术，2004（3）：92-93.

[2]李忠群，石晓芳，王志康，等.航空高温合金材料切削加工研究现状与展望[J].制造技术与机床，2018（12）：55-60.

[3]钟丽琼，梁益龙，杨明，等.车削参数对GH4079高温合金表面特征的影响研究[J].现代制造工程，2017（8）：78-82.

[4]武导侠，张定华，姚倡锋.GH4169高温合金车削表面完整性对疲劳性能的影响[J].航空材料学报，2017（6）：59-67.

[5]钟丽琼，梁益龙，胡浩.GH4079高温合金磨削表面特征的研究[J].制造技术与机床，2016（12）：79-82.

[6]刘丽娟，张国永，邵华.高温合金NiCr20TiAl钻削加工特性研究[J].工具技术，2011（11）：16-20.

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