高溫合金孔加工技術(shù)研究

1、高溫合金孔加工技術(shù)研究隨著科學(xué)技術(shù)和人類文明進(jìn)步的需要，機(jī)械產(chǎn)品高性能、多功能、高質(zhì)量要求十分強(qiáng)烈，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求也更加緊湊，零件尺寸向微細(xì)化發(fā)展。為滿足上述要求，具有高硬度、高韌性和高耐磨性的難加工材料在產(chǎn)品中使用得越來(lái)越多。    以發(fā)電設(shè)備為例，汽輪機(jī)從30萬(wàn)普通機(jī)組到超超臨界100萬(wàn)以及燃機(jī)等大功率高參數(shù)設(shè)備，耐高溫、耐磨、耐酸的零部件材料采用鎳基高溫合金或其它難加工材料的比例正在快速增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，十余年前企業(yè)以常規(guī)機(jī)組為主導(dǎo)產(chǎn)品時(shí),所涉及的高溫合金等難加工材料僅GH132等極少數(shù)的零件材料。而目前,因火電、氣電、核電、風(fēng)電等新產(chǎn)品的特殊要求，高強(qiáng)度不銹鋼、抗低

2、溫脆性金屬、高溫耐熱合金等十余種材料給切削加工帶來(lái)了很大難題，其中高溫合金就有近十個(gè)牌號(hào),所涉及零件有十余種。這里只就鎳基高溫合金孔加工問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)探討。    與一般鋼材相比，高溫合金的切削加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）加工硬化傾向大。比如GH4169未強(qiáng)化處理的基體硬度約HRC37，切削后表面產(chǎn)生0.03毫米左右的硬化層，硬度增加到HRC47左右，硬化程度高達(dá)27%。加工硬化現(xiàn)象對(duì)刀具壽命有很大影響，通常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的邊界磨損。 2）切削力大。高溫合金強(qiáng)度比汽輪機(jī)常用合金鋼材料高30%以上，在600以上的切削溫度下，鎳基高溫合金材料的強(qiáng)度仍高于普通合金鋼材料。未強(qiáng)

3、化處理的高溫合金單位切削力在4000N/mm2以上，而普通合金鋼僅2500N/mm2。 3）材料導(dǎo)熱性差。切削高溫合金時(shí)產(chǎn)生的大量切削熱由刀具承受，刀尖承受了高達(dá)8001000的切削溫度，在高溫和大切削力作用下，將導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生塑性變形、粘結(jié)與擴(kuò)散磨損。 4）鎳基合金主要成份為鎳和鉻，另外還添加有少量其它元素：鉬、鉭、鈮、鎢等，值得注意的是，鉭、鈮、鎢等也是用來(lái)制造硬質(zhì)合金(或高速鋼)刀具的主要成分，用這些刀具加工高溫合金會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和磨料磨損。    孔加工的一般特點(diǎn)    孔加工是切削加工中難度較大的加工方式，屬半封閉式加工。特別是實(shí)心鉆孔時(shí)，切削

4、熱極易滯留在切削刃附近，切削熱和切屑的及時(shí)排出很困難，這是影響刀具壽命的關(guān)鍵所在，必須給以足夠的關(guān)注。 鏜孔和擴(kuò)孔加工是在有預(yù)鉆孔條件下切削，與車削加工狀態(tài)相似，但刀桿系統(tǒng)剛性隨孔的深徑比增加而呈三次方遞減，通常鏜孔和擴(kuò)孔的刀桿系統(tǒng)剛性比車削和銑削條件低得多。為了保證孔加工精度、改善排屑條件，刀刃結(jié)構(gòu)、刀桿直徑和刀桿強(qiáng)度必須給予合理匹配。    高溫合金孔加工技術(shù)難點(diǎn)    相對(duì)于一般鋼材切削加工，切削高溫合金的刀具壽命要低50%以上，加工效率很低，加工成本也高得多。高溫合金孔加工主要難點(diǎn)是： 1) 切削力大，消耗機(jī)床功率大。比如，采用某進(jìn)口品

5、牌的Ø68機(jī)夾扁鉆在GH901上進(jìn)行實(shí)心鉆孔，功率消耗大于30KW，而用相當(dāng)直徑的機(jī)夾復(fù)合鉆在15CrMo汽缸中分面上鉆孔功率消耗低于10KW。 2) 孔加工是半封閉的切削，產(chǎn)生的高切削熱和斷屑困難的切屑難以及時(shí)排出遠(yuǎn)離刀尖，刀具磨損更為劇烈。例如，在采用普通麻花鉆鉆GH901時(shí)按普通材料切削用量加工，僅幾分鐘，刀尖就呈現(xiàn)出藍(lán)色表面的燒傷現(xiàn)象。 3) 用普通的鉆削方法難以保證高溫合金孔的精度要求。其原因是鉆削軸向力大，用搖臂鉆床等系統(tǒng)剛性較差的設(shè)備加工，鉆頭等刀具易產(chǎn)生較大的彎曲，導(dǎo)致鉆孔偏斜，影響鉆孔精度。例如，用普通麻花鉆加工GH901閥桿Ø14.5徑向孔時(shí)，鉆頭在較大

6、的鉆削力作用下，發(fā)生彎曲，刀刃磨損極快，無(wú)法正常切削；改為鏜床鉆孔，在其它切削條件不變的情況下，順利地完成了鉆孔任務(wù)。 4) 高溫合金孔加工中，刀具磨損比加工普通鋼材快得多，且需要切削性能更好的刀具材料。據(jù)研究資料統(tǒng)計(jì)，加工高溫合金的刀具費(fèi)用是一般鋼材的510倍。    高溫合金孔加工刀具材料   可用于高溫合金加工的刀具材料主要有CBN、陶瓷、硬質(zhì)合金及高速鋼。     中小型孔鉆削加工的刀具材料推薦使用以超細(xì)晶粒合金作基體的新型涂層(如TiAlN、TiZrN)硬質(zhì)合金，這種材料具有優(yōu)異的耐磨性和很低的摩擦系數(shù)，是目前難加

7、工材料切削最常用的刀具材料。如國(guó)內(nèi)外一些刀具專業(yè)廠生產(chǎn)的整體硬質(zhì)合金鉆頭及可轉(zhuǎn)位鏜刀大量使用了該項(xiàng)技術(shù)。     在高溫合金鉆、擴(kuò)、鉸加工中，仍然大量使用高速鋼材料。高速鋼刀具材料的韌性比硬質(zhì)合金高得多，對(duì)機(jī)床精度和系統(tǒng)剛性要求沒(méi)有硬質(zhì)合金刀具高，因此在大中型孔的鉆削加工中更有優(yōu)勢(shì)。     高溫合金實(shí)心鉆孔    鉆頭基本結(jié)構(gòu)及要求 對(duì)鎳基高溫合金類難加工材料進(jìn)行實(shí)心鉆削加工時(shí)，常用刀具有整體鉆頭、機(jī)夾鉆。機(jī)夾鉆包括機(jī)夾深孔鉆(如機(jī)夾扁鉆、可轉(zhuǎn)位深孔鉆)和可轉(zhuǎn)位淺孔鉆(用于加工長(zhǎng)徑比小于5的實(shí)心孔)。整

8、體鉆頭包括硬質(zhì)合金鉆頭和高速鋼鉆頭，?20以下的孔推薦使用整體硬質(zhì)合金鉆。使用整體硬質(zhì)合金鉆要求機(jī)床有足夠的進(jìn)給精度、回轉(zhuǎn)精度和剛性。普通鏜銑床及鉆床主軸跳動(dòng)一般超過(guò)0.05毫米，不能滿足硬質(zhì)合金鉆頭使用要求。鉆頭應(yīng)優(yōu)先采用公差等級(jí)H6圓柱柄，并用精密強(qiáng)力夾頭或液壓夾頭裝夾，以提高刀具系統(tǒng)精度。    關(guān)于整體硬質(zhì)合金鉆頭(以及焊接硬質(zhì)合金鉆)的刃磨，要求有數(shù)控刀具磨床及相關(guān)修磨軟件，如果企業(yè)沒(méi)有修磨條件，可以優(yōu)先推薦使用高速鋼鉆頭加工高溫合金。    鉆削高溫合金，要求鉆頭有更好精度，據(jù)有關(guān)資料介紹，一些航空航天加工廠鉆削這類材料時(shí)要求其鉆尖

9、徑向跳動(dòng)不大于0.02毫米。鉆頭的關(guān)鍵還是鉆尖的結(jié)構(gòu)，包括鋒角、橫刃寬度、前角以及鉆尖的對(duì)稱性。    增大鋒角可減少刃屑接觸長(zhǎng)度，降低切削熱，改善鉆頭切削條件。高溫合金鉆頭的鋒角推薦135°140°。   鉆頭橫刃對(duì)鉆削性能有非常大的影響，一般情況下，橫刃處的鉆削力可占整個(gè)鉆頭切削力的60%左右，如果不對(duì)橫刃進(jìn)行適當(dāng)?shù)男弈ヌ幚?，在鉆削高溫合金材料時(shí)，鉆尖很快就會(huì)磨損燒傷。S形(國(guó)內(nèi)叫十字形)修磨，就是為了加大橫刃處前角，減少橫刃的長(zhǎng)度。未經(jīng)修磨過(guò)的鉆頭，橫刃處前角為30°左右，經(jīng)“十字修磨”后橫刃處前角大于15°

10、。這是降低鉆頭扭矩和切削熱的有效途徑，這對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命和提高切削條件十分有利。國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的許多新型鉆頭產(chǎn)品，其橫刃均有此特點(diǎn)。    鉆削高溫合金孔的鉆尖要有足夠的對(duì)稱性，這是控制孔尺寸和位置精度的必要條件。采用機(jī)磨是控制鉆頭鋒角、橫刃對(duì)稱性的最好辦法。    鉆孔冷卻方式 為了便于排屑，市場(chǎng)上推出了內(nèi)冷孔鉆頭，可供給充足的水溶性冷卻液或霧狀冷卻劑等，使排屑變得更為順暢，這種方式對(duì)切削刃的冷卻效果也很理想。但該鉆頭要求機(jī)床具有內(nèi)冷系統(tǒng)，或者有外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷機(jī)構(gòu)。同時(shí)，該類鉆頭的刀具成本高，而且刀具修磨一般要求在刀具刃磨中心上重磨。 在一般情況下，鉆

11、削可以采用外冷方式。加工高溫合金有效的冷卻是必不可少的，水基切削液是冷卻效果最好的切削液。為了改善實(shí)心鉆孔的冷卻條件，噴液嘴應(yīng)盡量接近鉆頭入口處，并與鉆頭軸線夾角小于30°，噴液方向盡量與鉆頭螺旋溝槽方向一致，見(jiàn)圖所示。 外冷方式高速鋼麻花鉆 高速鋼麻花鉆是低速加工高溫合金的傳統(tǒng)刀具，其優(yōu)點(diǎn)是容易手工修磨，刀具材料韌性好，對(duì)機(jī)床的要求相對(duì)較低。下面是用高速鋼麻花鉆加工高溫合金孔的實(shí)例。工件材料：GH901機(jī)床：數(shù)控落地鏜床TK6513，機(jī)床功率30KW鉆頭：普通HSS麻花鉆，鋒角140°，橫刃修磨要窄0.2mm鉆頭尺寸：Ø12.3×80切削用量：Vc=3

12、.864m/min，fn=0.06mm/r冷卻條件：外冷，馬斯特水基切削液，每鉆進(jìn)3mm立即退刀，防止鉆刃空轉(zhuǎn)與孔底反復(fù)擠壓磨擦而增加高溫合金材料的加工硬化層厚度，鉆尖全部退出， 其目的是對(duì)鉆頭及孔內(nèi)進(jìn)行冷卻，提高切削液冷卻效果，改善排屑條件。一個(gè)孔加工時(shí)間：17分鐘刀具磨損：鋒刃有較輕微的磨損加工效果：孔的直線度、表面粗糙度均達(dá)到了預(yù)鉆孔要求可轉(zhuǎn)位淺孔鉆 可轉(zhuǎn)位淺孔鉆是帶可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的高效鉆孔刀具，其鉆孔效率是普通鉆頭的4倍以上。東汽最早在貝拉爾蒂數(shù)控鏜床上用于加工普通鋼材料法蘭面螺栓孔，目前已在常用鋼材加工中廣泛使用。通過(guò)試驗(yàn)該鉆頭也能用于高溫合金閥桿的鉆削加工，但要求刀具有如下結(jié)構(gòu)

13、特點(diǎn)：第一、 刀片要有較鋒利的切削刃，以降低鉆削力；第二、 刀片斷屑槽要合理，減少切屑的過(guò)分卷曲變形帶來(lái)的大量切削熱；第三、 根據(jù)機(jī)床功率選用合適的刀具直徑；第四、 選擇合適的刀具長(zhǎng)徑比，盡量增加刀具系統(tǒng)剛性?，F(xiàn)以高溫合金軸類零件Ø71×240徑向孔加工為例進(jìn)行分析。1 淺孔鉆的選擇與整體鉆和硬質(zhì)合金焊接鉆相比，淺孔鉆的切削力較大，在選擇時(shí)要考慮系統(tǒng)剛性和機(jī)床功率等基礎(chǔ)問(wèn)題。為了滿足高溫合金對(duì)鉆頭的要求，首先選擇剛性較好的3倍徑淺孔鉆。另外經(jīng)試驗(yàn)，鉆頭直徑選擇Ø68時(shí)，切削消耗功率接近TK6513數(shù)控落地鏜床的額定功率30KW。為此，結(jié)合現(xiàn)有資源，選擇了Ø

14、;58的淺孔鉆。具體規(guī)格如下：鉆頭規(guī)格：Ø58×174刀片型號(hào)：P284797 WAP352 切削用量的選擇如前所述，高溫合金材料的切削加工性很差，在加工中的切削用量要比加工普通材料低得多，如在車削GH901閥桿時(shí)切削用量?jī)H為Vc=25m/min、 fn=0.15mm/r、ap=2mm。而高溫合金實(shí)心孔的鉆削難度更是高于一般車削加工。另外，實(shí)心鉆削加工刀具排屑空間很有限，還需要考慮排屑的狀態(tài)，試驗(yàn)表明，“C”型屑有利于排屑，較合理的切削用量如下(鉆頭半徑為29mm)：Vc20m/min、fn=0.1mm/r3 鉆削方法因機(jī)床無(wú)內(nèi)冷系統(tǒng)，切屑無(wú)法及時(shí)排出。為克服該問(wèn)題，減少切

15、屑對(duì)刀具壽命的影響，同麻花鉆鉆孔情況相同，需采用間隙進(jìn)給方式，即每鉆5毫米深度立即退刀，以防止鉆刃空轉(zhuǎn)與孔底反復(fù)擠壓磨擦而增加高溫合金材料的加工硬化層厚度，鉆尖要全部退出， 其目的是對(duì)鉆頭及孔內(nèi)進(jìn)行冷卻，提高切削液冷卻效果，改善排屑條件。因鉆頭有效鉆削深度不夠，加工中采用了分頭鉆削方式，即先從一端鉆至鉆頭工作深度，再調(diào)頭從另一端鉆削接通。4 柱面鉆孔前要求在圓柱面上直接鉆徑向孔，與在斜面上鉆孔一樣，會(huì)使鉆頭偏斜，影響孔的位置和尺寸精度。因此在鉆孔前必須首先用大于鉆頭直徑80%、小于孔最終直徑的銑刀銑削出一個(gè)平面，保證鉆頭軸線垂直于被鉆孔表面。淺孔鉆就不會(huì)偏斜中心，以保證鉆出的底孔位置正確。鏜孔

16、加工孔的精加工一般用鉸孔和鏜孔兩種方法，鉸孔是效率更高的工藝方法，但鉸刀通常是定尺寸刀具(即使是可調(diào)鉸刀也只能微調(diào)孔尺寸)，只能對(duì)孔的形狀和尺寸準(zhǔn)確控制，無(wú)法修正孔的位置誤差。一把鏜刀可滿足較大尺寸范圍內(nèi)準(zhǔn)確尺寸的控制，不僅能控制孔的形狀尺寸精度，對(duì)孔的位置精度更有鉸削加工不能替代的作用。刀片的選擇 加工中選用了URMA鏜刀系統(tǒng)。該鏜刀采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)系列刀片，其優(yōu)點(diǎn)是便于根據(jù)加工材料特點(diǎn)更廣泛地選擇可轉(zhuǎn)位鏜刀片。鏜刀片型號(hào)如下：·粗鏜刀片與車間現(xiàn)有精車刀片型號(hào)相同：CNMG1204*·精鏜刀片：CCMT09T3*、CCMT06*在選擇鏜刀片時(shí)，刀尖半徑是必須考慮的幾何參數(shù)，

17、因?yàn)榈都獍霃接绊懥饲邢髁Φ拇笮?。一般車削加工的刀尖圓角半徑為0.8毫米，對(duì)于鏜加工，刀具系統(tǒng)剛性的限制，通常刀尖圓角半徑為0.4毫米左右，精鏜時(shí)甚至推薦0.2毫米的刀尖圓角半徑。以上型號(hào)刀片我們可以在國(guó)內(nèi)外許多專業(yè)廠樣本中尋找，這給我們選擇更適合加工高溫合金鏜刀片帶來(lái)了很大的方便。最早用該鏜刀系統(tǒng)粗精鏜高溫合金GH901材料時(shí)，使用了鏜刀系統(tǒng)自配刀片，這些刀片適合加工普通鋼，根本不能滿足鏜孔要求，刀具壽命很短。為此，根據(jù)車間現(xiàn)有條件，結(jié)合高溫合金車削和銑削加工經(jīng)驗(yàn)，為URMA鏜刀系統(tǒng)選擇了多家專業(yè)廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)精鏜刀片，代表材料有TT5030、S05F等涂層硬質(zhì)合金。經(jīng)試驗(yàn)所選刀片更適合高溫合金

18、的鏜削加工，以CNMG120408-MP、CCMT09T302-FA兩種型號(hào)刀片為例。粗鏜孔1 切削用量選擇粗鏜孔常用可轉(zhuǎn)位雙刃鏜刀，所用刀片CNMG120408-MP。在鏜孔加工中，排屑是重要的環(huán)節(jié)，連續(xù)的帶狀切屑會(huì)纏繞刀尖，并影響表面加工質(zhì)量，排屑效果差，對(duì)刀具壽命和加工面質(zhì)量有較大的影響。過(guò)短的切屑說(shuō)明切屑卷曲嚴(yán)重，產(chǎn)生切削熱增加，切削過(guò)程平穩(wěn)性較差。在選定刀片后切削用量與加工件余量和刀片斷屑槽型有關(guān)，粗鏜刀的刀片槽型為NP，理想的斷屑條件是：ap=14mm，f=0.100.4mm/r。對(duì)于高溫合金鏜孔，一定要有足夠的水基切削液作冷卻，盡量使切削液接近刀刃切削區(qū)。如沒(méi)有內(nèi)冷系統(tǒng)，鏜削高溫

19、合金孔的切削用量應(yīng)取下限：Vc=16m/min、ap=2mm 、f=0.1mm/r。從鉆孔尺寸Ø58至最終孔尺寸Ø71，最后留精鏜余量0.05毫米，單邊余量共6.45毫米，因此，需走4刀完成粗鏜加工，余量分配如下：Ø62 Ø66 Ø70 Ø70.9。該孔長(zhǎng)徑比為3.5，但所用鏜刀系統(tǒng)的接長(zhǎng)桿直徑50，刀桿總長(zhǎng)尺寸250毫米，長(zhǎng)徑比為5，為提高精鏜前孔的尺寸和形位精度，最后一刀為半精鏜，其目的是校準(zhǔn)前面工序加工誤差。2 邊界磨損及對(duì)策切削高溫合金時(shí)，切削區(qū)的切削溫度很高，特別是在與空氣接觸的過(guò)渡切削刃處，刀具材料與空氣中的氧、氮、氫等活

20、性元素發(fā)生反應(yīng)，過(guò)渡切削刃部分產(chǎn)生裂紋剝落或崩刃，這種磨損形式被稱為邊界磨損。在高溫合金的切削加工中，邊界磨損是最常見(jiàn)的磨損形式。減少邊界磨損的基本方法有兩種，一是采用小的刀具主偏角，二是采用變切深加工方法。但小的主偏角會(huì)增大鏜刀桿的彎曲變形，因此變切深加工是改善鏜孔加工硬化現(xiàn)象對(duì)刀具影響的最有效手段。變切深加工，是指所選切深要與上次的切深不相同，使刀刃與工件切削面的接觸區(qū)產(chǎn)生變化，以改善切削邊界接觸狀態(tài)。在數(shù)控加工中，可通過(guò)連續(xù)改變刀具切深，在一次走刀中實(shí)現(xiàn)變切深加工方法，更有效地緩解刀具的邊界磨損，該方法要求鏜床有徑向控制刀尖移動(dòng)的功能。相比而言，第一種方法便于操作。精鏜孔 精鏜內(nèi)孔最關(guān)鍵

21、的是鏜削過(guò)程的安全性，需要一刀切過(guò)，孔的各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到質(zhì)量要求。主要注意的是兩個(gè)方面問(wèn)題，一是保持穩(wěn)定的切削排屑過(guò)程，二是確保刀具壽命滿足孔的切削長(zhǎng)度。注意保持足夠的切削液以輔助排屑和提高刀具壽命。一般要求較小的切削深度，并形成穩(wěn)定連續(xù)的細(xì)螺旋屑，這樣可提高精鏜孔過(guò)程的可靠性，保持穩(wěn)定的切削過(guò)程。對(duì)于高溫合金精鏜孔，切削用量需取低值。高溫合金車、銑加工經(jīng)驗(yàn)告訴我們硬質(zhì)合金刀具壽命通常是切削合金鋼時(shí)的50%以內(nèi)，刀具壽命一般在30分鐘左右。為此在選擇切削用量后，應(yīng)驗(yàn)算刀具能否一刀完成至少一個(gè)孔的精鏜加工。根據(jù)所選硬質(zhì)合金精鏜刀片CCMT09T302-FA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終確定如下切削用量：Vc=22m

22、/min、ap=0.05mm、f=0.1mm/r按上述切削用量，一個(gè)孔的切削時(shí)間在25分鐘以內(nèi)。而且孔的加工質(zhì)量完全達(dá)到了圖紙技術(shù)要求：孔的精度0.02以內(nèi)，表面粗糙度Ra1.6以內(nèi)。刀具預(yù)調(diào) 在數(shù)控加工中，刀具系統(tǒng)通常需要機(jī)外調(diào)刀刀具預(yù)調(diào)，其目的是減少數(shù)控機(jī)床的停機(jī)時(shí)間，增加機(jī)床運(yùn)行效率。旋轉(zhuǎn)刀具預(yù)調(diào)包括刀具系統(tǒng)的工作長(zhǎng)度和刀具直徑兩個(gè)參數(shù)。對(duì)于粗鏜刀可直接將刀具參數(shù)調(diào)至所需尺寸。在切削力的作用下，鏜刀系統(tǒng)將產(chǎn)生彈性彎曲變形，即所謂讓刀。粗鏜讓刀對(duì)加工尺寸影響很小，預(yù)調(diào)可不考慮所產(chǎn)生的影響。但在預(yù)調(diào)精鏜刀時(shí)，必須充分考慮讓刀對(duì)刀具預(yù)調(diào)尺寸的影響。鏜孔時(shí)讓刀量的大小與材料性能、切削用量，系統(tǒng)剛性等因素有關(guān)，我們很難定量判定精鏜孔時(shí)的讓刀量。解決讓刀影響有效辦法是預(yù)調(diào)加試切法對(duì)刀。首先將鏜刀預(yù)調(diào)至比孔最終尺寸小0.05毫米，比如加工孔徑最終尺寸為Ø71±0.02，可預(yù)調(diào)至Ø