高溫合金材料拉削工藝的研究

隋勝濤， 龐繼友， 劉軍喆

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽110043）

0 引言

在拉削高溫合金時(shí)存在著很多問題，尤其是拉削較難加工材料，如GH2696、GH4169及某型號(hào)的高壓渦輪盤和低壓渦輪盤所用材料FGH96(粉末高溫合金)等。我們選擇了新型刀具材料粉末冶金高速鋼P(yáng)M-T15和ASP2030制造拉刀。并對(duì)從選材到應(yīng)用的整個(gè)工藝過程進(jìn)行跟蹤研究,最后得出結(jié)論：該材料可延長刀具壽命50%以上，從而可大大降低此類刀具的成本。

拉刀在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)應(yīng)用非常廣泛，它具有加工精度高、加工效率高、表面粗糙度低等優(yōu)良性能。在某些航空零件上，這種加工工藝方法是其它加工手段不可替代的。但在拉削某型號(hào)葉片時(shí)，因其材料是鐵基高溫合金GH2696，較難加工，目前所用的最好的刀具材料是W2Mo9Cr4VCo8(M42)，拉削過程中出現(xiàn)的問題很多，刀具壽命短，底面拉刀刃磨一次后，僅能拉削10～20片葉片，刀具磨損嚴(yán)重，被拉削表面波紋大，尺寸難以保證，還出現(xiàn)過拉刀被拉斷的現(xiàn)象，有必要開展GH2696材料拉削性能研究，為今后拉削航空難加工材料開辟一條新路。

1 拉削GH2696材料拉刀的性能及設(shè)計(jì)

以GH2696材料葉片為載體，進(jìn)行粉末冶金高速鋼拉刀的工藝研究，找到一種更適合加工難加工材料的刀具材料，研究該材料的機(jī)械加工性、熱處理方法、制造拉刀時(shí)的結(jié)構(gòu)及拉削參數(shù)，并對(duì)其能否推廣應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行可行性分析。

1.1 葉片材料

葉片材料是鐵基高溫合金GH2696。該材料是一種以Fe-25Ni-12Cr為基體的高溫合金，用少量的鈦、鋁、鉬和微量硼綜合強(qiáng)化，在650℃以下具有高的屈服強(qiáng)度和持久蠕變強(qiáng)度，以及良好的高溫彈性性能、抗燃汽腐蝕性能和加工塑性。其良好的力學(xué)性能給機(jī)械加工帶來很大難度。

熱處理：固溶1000～1050 ℃，保溫2～5 h,油冷；時(shí)效730～780 ℃，保溫16 h，空冷；硬度302～388 HB。

1.2 拉刀的選擇

由于該材料拉削有一定難度，所以我們選擇了用粉末冶金高速鋼P(yáng)M-T15和ASP2030制造拉刀，為了解該刀具材料的拉削性能，選擇了左右側(cè)面粗拉刀（圖號(hào)3BD175-0013-1/2）做為我們研究的對(duì)象。用PM-T15材料制造3BD175-0013-1/2的第一段拉刀（2把），用ASP2030材料制造3BD175-0013-1/2的第二段拉刀（2把）。

1.3 原拉削時(shí)出現(xiàn)的問題及解決辦法

原拉削時(shí)刀具壽命很短，有的拉刀刃磨一次只能拉削20～30片葉片，刀具磨損嚴(yán)重，被拉削表面波紋大，尺寸難以保證。究其原因很復(fù)雜，包括葉片材料加工難度大、留加工余量大（相對(duì)拉削其他材料）、機(jī)床的裝夾部位剛性差、液壓系統(tǒng)不平穩(wěn)等。首先針對(duì)該葉片材料強(qiáng)度高、韌性好、加工困難等特點(diǎn)，將拉刀的齒升量降低，由原來的0.07、0.08 mm降到0.04、0.05 mm(兩段拉刀)，并將葉片的拉削余量盡量留得少一些。這樣做了改進(jìn)之后，拉削效果有了明顯的好轉(zhuǎn)。針對(duì)以上拉削GH2696材料出現(xiàn)的問題，我們選擇了用粉末冶金高速鋼P(yáng)MT15和ASP2030制造拉刀，以進(jìn)一步提高拉削質(zhì)量，并將其與原拉刀材料進(jìn)行比較。

1.4 拉刀材料及特性

1）拉刀材料采用粉末冶金高速鋼P(yáng)M-T15和ASP2030制造。傳統(tǒng)的高速鋼冶煉制造工藝采用大噸位電弧爐冶煉、模鑄澆鑄成錠，由于鋼錠澆鑄尺寸較大，鋼水冷卻緩慢且高速鋼化學(xué)成分復(fù)雜，合金元素含量高，使其萊氏體組織粗大，碳化物偏析嚴(yán)重，從而降低了高速鋼的各方面的性能，力學(xué)性能降低，鍛、軋加工困難，熱處理變形嚴(yán)重。粉末冶金高速鋼改變了傳統(tǒng)高速鋼澆鑄與成錠工藝，采用了霧化制粉及壓力加工成型工藝。國際上較先進(jìn)的粉末冶金高速鋼制造基本工藝是將冶煉完、符合化學(xué)成分要求的鋼水及經(jīng)強(qiáng)力高壓氮?dú)忪F化的細(xì)小液滴瞬間迅速凝固成合金粉末顆粒，其粒度相當(dāng)于一般鑄錠億萬分之一的“超細(xì)小鋼錠”，形成了極快冷凝固制粉。霧化制粉完成后，合金粉末顆粒經(jīng)篩分、裝包套、搖實(shí)、抽真空脫氣等工序，再經(jīng)冷、熱等壓力加工成錠。其優(yōu)點(diǎn)是成分均勻碳化物無偏析，易實(shí)現(xiàn)高合金化；與傳統(tǒng)高速鋼比較，其強(qiáng)度和韌性大幅度提高，熱處理變形小，尺寸穩(wěn)定性高，可磨削性能好。

2）材料原始狀態(tài)技術(shù)條件。ASP2030：碳化物偏析0～1級(jí)；原始狀態(tài)硬度為27 HRC；平面度不大于0.5。PMT15：碳化物偏析0～1級(jí)；原始狀態(tài)硬度為23～24 HRC；平面度不大于0.5。

3）化學(xué)成分（見表1）。

表1 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

4）品質(zhì)特性。組織均勻細(xì)小，無碳化物偏析，高耐磨性，韌性和抗疲勞性優(yōu)異，各向同性，加工性能優(yōu)良，熱處理性能穩(wěn)定。

5）應(yīng)用?；诜勰┮苯鸶咚黉摼哂幸陨蟽?yōu)秀品質(zhì)，適用于要求長壽命刀具和切削難加工材料用復(fù)雜刀具,并能提升斷續(xù)切削能力，因此可顯著提高生產(chǎn)率，降低刀具成本。

1.5 粉末冶金高速鋼拉刀的結(jié)構(gòu)

由于GH2696材料強(qiáng)度和韌性都很高,刀具磨損嚴(yán)重,所以在粗拉削時(shí)選擇的齒升量相對(duì)于拉削其它材料要小一些,每齒齒升量為0.04、0.05 mm，拉刀的前角為10°、后角為3°(同M42拉刀)。

1.6 粉末冶金高速鋼拉刀加工工藝性

1）銑削性能。從以上材料性能可以看出，粉末冶金材料在熱處理前硬度較低，采用普通的高速鋼W18Cr4V即可加工。PM-T15切削參數(shù)：a=3 mm，f=63 mm/min，v=31.4 m/min。ASP2030切削參數(shù)：a=1.5～2 mm，f=63 mm/min，v=31.4 m/min。

2）磨削性能。最好采用混合剛玉砂輪磨削，用鉻剛玉砂輪磨削也可以。淬火前，用鉻剛玉砂輪磨削時(shí)，感覺材料有些黏，粗磨后表面稍有退火，精磨時(shí)進(jìn)給量不要超過0.02，以免退火。為防止熱處理變形，淬火前留粗磨余量單面0.6 mm(實(shí)際熱處理變形量很小，約0.1 mm)。用鉻剛玉砂輪磨削時(shí)的磨削參數(shù)（2種材料均用此砂輪）：a=0.02 mm，f=3～5 mm/次，v=2355 m/min。

3)熱處理特性及制度。相對(duì)于常用的高速鋼M42，粉末冶金高速鋼的熱處理變形小，不易出現(xiàn)微裂紋。淬火伸長量：PM-T15為0.0025 mm；ASP2030為0.0025 mm。熱處理制度見表2。

表2 熱處理制度

2 試驗(yàn)

1）材料。被拉削材料為鐵基高溫合金GH2696，拉刀材料為PM-T15和ASP2030，潤滑油為30號(hào)機(jī)油。

2）設(shè)備為40 t臥式拉床。

3）拉削速度：拉削速度選擇1.5 m/min時(shí)，被拉削零件表面振動(dòng)波紋較大，并伴隨有很大的振動(dòng)聲音；拉削速度選擇1.9 m/min時(shí)，被拉削零件表面仍有振動(dòng)波紋，聲音有所減輕；拉削速度選擇2.2 m/min時(shí)，剛拉削時(shí)零件表面沒有波紋，待拉到第32個(gè)葉片以后開始有輕微的波紋，并伴隨有輕微的振動(dòng)聲。由于該拉床的最大拉削速度是2.2m/min，所以我們就用這一速度做了實(shí)驗(yàn)。

4）試驗(yàn)結(jié)果（見表3）。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)條件有限，裝夾部位剛性差、液壓系統(tǒng)不平穩(wěn)，得出的數(shù)據(jù)只能是現(xiàn)有條件下的結(jié)果，據(jù)資料介紹和我們?cè)谄渌毒呱系膽?yīng)用情況看，效果還應(yīng)更好。

3 性價(jià)比分析

由于該課題是試驗(yàn)性質(zhì)的，進(jìn)料比較少，成本相對(duì)要高一些，所以做詳細(xì)的性價(jià)比分析不可能準(zhǔn)確。而且，不同的粉末冶金高速鋼其價(jià)格也不一樣，性能也不一樣。所以我們只能做一下簡單的分析。

如果各方面都操作好的話，包括進(jìn)料渠道、材料狀態(tài)，如我們買的材料是成材，不需要粗銑去很大的余量，M42材料只能做鍛件，雙面留余量要5 mm，而且國產(chǎn)M42材料比較脆，淬火后校直時(shí)和拉削過程中易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。M42的價(jià)格是360～380元/kg，粉末冶金高速鋼的材料價(jià)格大約是M42的1.5～1.8倍，去除M42材料的損耗量，其價(jià)格不到M42的1.5～1.8倍，拉刀的加工費(fèi)用除粉末高速鋼不用粗銑毛坯外，其它都是一樣的。從以上分析可以看出，尤其是對(duì)于精拉刀其加工費(fèi)用較高，如果材料費(fèi)只提高不到1.5～1.8倍，加工費(fèi)用相同，拉刀的壽命就能提高60%以上。

4 結(jié)論

葉片材料GH2696是一種以Fe-25Ni-12Cr為基體的高溫合金，具有很高的屈服強(qiáng)度和持久蠕變強(qiáng)度，以及良好的加工塑性，其良好的力學(xué)性能給我們加工帶來了很大難度。

針對(duì)該材料拉削時(shí)刀具磨損快、使用壽命低等缺陷，我們選用了粉末冶金材料PM-T15和ASP2030制造拉刀，并根據(jù)以往的拉削經(jīng)驗(yàn)，將拉刀的齒升量選得盡量小一些，為0.04～0.05 mm。

通過實(shí)踐證明，該材料的銑削和磨削性能都比較優(yōu)良，相對(duì)于以往使用的M42拉刀，其熱處理變形小，不易出現(xiàn)微裂紋，刀具使用壽命提高50%以上。該材料的應(yīng)用，不但會(huì)進(jìn)一步提高被加工零件的表面質(zhì)量，還會(huì)給公司減少大量的拉刀費(fèi)用。所以說該刀具材料的應(yīng)用具有很高的推廣價(jià)值。

粉末冶金材料PM-T15和ASP2030與傳統(tǒng)高速鋼比較，其強(qiáng)度和韌性大幅度提高，熱處理變形小，尺寸穩(wěn)定性高，銑削性能和磨削性能好，而且拉刀的壽命也提高了60%以上，在我公司具有很高的推廣價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 韓榮第.難加工材料的性能特點(diǎn)決定高效加工的有效途徑[J].航空制造技術(shù),2011(11)：44-45.