冷切削加工高溫合金實(shí)踐

魯柱

摘 要：高溫合金屬于機(jī)械加工中較難加工的材料，冷切削加工性能差。經(jīng)過長期的實(shí)際切削加工，研究總結(jié)這種材料的車削、磨削、鉆削、鉸削四種冷切削加工過程，并給出安全高效切削狀態(tài)下的刀具幾何參數(shù)、切削要素參數(shù)和加工注意事項(xiàng)，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高溫合金;冷切削;加工技術(shù)

中圖分類號：TG506;TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

高溫合金又稱耐熱合金，具體指耐熱鋼及鎳基、鎢基、鈷基、鐵-鎳基高溫合金，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度和抗熱疲勞性能，被廣泛應(yīng)用于高溫和深冷的工作環(huán)境中[1]。鎳基高溫合金材料特性是抗高溫氧化性能最穩(wěn)定，切削加工性差，最常見材料為K640。鈷基高溫合金材料特性是高溫強(qiáng)度高，能耐高溫1 000 ℃，切削加工性優(yōu)于鎳基合金，應(yīng)用最多的是GH4169、GH4033和K403。鐵基高溫合金材料特性是抗氧化性不如鎳基和鈷基高溫合金，而最大的優(yōu)點(diǎn)價(jià)格便宜、加工性好，常用的牌號為GH2036和GH2135。鐵-鎳基高溫合金材料特性為耐腐蝕，鎳的含量比鎳基合金低，比鐵基高，使用最多的牌號是GH1040。鎳基、鈷基、鐵基、鐵-鎳基四類高溫合金中，產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的是鎳基高溫合金。根據(jù)材料用途和合金的基本形成方式，高溫合金又可分為變形高溫合金、焊接高溫合金、鑄造高溫合金、彌散強(qiáng)化高溫合金和粉末冶金高溫合金。高溫合金中由于含有鐵、鈦、鉻、鎳、釩、鎢和鉬等多種高熔點(diǎn)合金元素，構(gòu)成了基體純度和密度高的奧氏體合金;其中，部分合金元素又與非金屬碳、硼、氮等構(gòu)成硬度高、熔點(diǎn)高、密度小的化合物。高溫合金的相對加工性Kv為0.2～0.5，只占45鋼的5%～20%[2]。高溫合金切削加工性極差，主要表現(xiàn)在塑性變形大、切削力大、切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，刀具極易產(chǎn)生黏結(jié)、擴(kuò)散、邊界和溝紋磨損。

2 高溫合金的冷切削加工技術(shù)

高溫合金冷切削時(shí)，首先要考慮刀具，刀具材料應(yīng)該具備高硬度、耐磨性、抗彎強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、抗黏結(jié)、抗擴(kuò)散和抗氧化等性能。然后再考慮刀具的幾何參數(shù)，重點(diǎn)根據(jù)高溫合金的切削特點(diǎn)和刀具材料的性能、種類綜合考慮。這主要是為了克服高溫合金塑性、韌性、熱強(qiáng)性高，且切屑不易卷曲和折斷的加工難題。其次要考慮切削用量，確定切削三要素：切削速度、切削深度和進(jìn)給量大小。切削速度受到刀具壽命和高溫合金種類的影響，盡可能避免加工硬化，切削深度不能太小;進(jìn)給量的大小選取也要考慮加工硬化。再次，選擇合理的切削液，降低切削溫度，防止黏結(jié)，提高加工效率，保證加工表面質(zhì)量。最后總結(jié)應(yīng)注意的問題，也應(yīng)從保障加工安全、提高加工效率的角度考慮。

2.1 高溫合金的車削

若采用普通高速鋼車削高溫合金，刀具的耐用度很低[3]。一般都會采用含鈷、含鋁的高釩和高碳高速鋼，刀具耐用度相對比較高[4]。實(shí)際生產(chǎn)中使用最多的是硬質(zhì)合金車刀來車削高溫合金，應(yīng)選用YG類細(xì)顆?；虺?xì)顆粒的硬質(zhì)合金，如YG6X、YG8、YG10HT、YM10（YM4）、YD15、YS8（YM051、YM052）、643、712、726、813等。理論上這些硬質(zhì)合金車刀的前角[γ0]=10°，精車時(shí)[γ0]=0°～3°，實(shí)際車削時(shí)，前角[γ0]=5°。同時(shí)，為了保證良好的斷屑效果，刀刃形式多為直線圓弧形和圓弧形，但不允許有鋸齒狀缺陷，一般不磨出負(fù)倒棱，使得刀刃鋒利耐磨。高速鋼車刀切削高溫合金時(shí)前角[γ0]=12°～18°，后角[α0]=10°～15°，主偏角[kr]=50°～70°，粗車時(shí)刃傾角[λs]=-5°～0°，精車時(shí)刃傾角[λs]=0°～3°。用硬質(zhì)合金車刀切削高溫合金的最佳切削速度[v]=15～55m/min，若高溫合金是鑄造出來的，切削速度應(yīng)取較低，而變形高溫合金則采用較高的切削速度。粗車時(shí)，背吃刀量[ap]=2～6mm，精車時(shí)，背吃刀量[ap]=0.2～0.5mm。為了避免在加工硬化層上切削，進(jìn)給量應(yīng)不小于0.1mm/r。

車削高溫合金時(shí)，必須使用切削液，選擇合適的切削液可以使切削溫度降低約25%。通過實(shí)踐證明，高溫合金的車削加工過程中，硬質(zhì)合金車刀應(yīng)使用極壓切削油或乳化液，而高速鋼車刀應(yīng)使用水溶液，這樣的降溫和潤滑效果最好。需要特別指出的是，對鎳基高溫合金不能使用含硫的極壓切削液，以免造成應(yīng)力腐蝕而降低疲勞強(qiáng)度。

應(yīng)注意的問題：①應(yīng)盡可能采用硬質(zhì)合金刀具來車削高溫合金，注意刀具刃磨質(zhì)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鋸齒狀缺陷，提高刀具的耐磨度;②為避免在加工硬化層上車削，進(jìn)給量不得小于0.1mm/r，切削深度不得小于0.2mm;③持刀刃鋒利避免加工硬化的產(chǎn)生，刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)不得超過0.2mm;④采用高速鋼車刀切削時(shí)，嚴(yán)防出現(xiàn)切削表面的加工硬化而帶來的切削困難，應(yīng)堅(jiān)決避免車刀在切削表面的停留。

2.2 高溫合金的磨削

磨削高溫合金時(shí)切深抗力大于主切削力，磨削溫度為1 000～1 500℃，加工硬化嚴(yán)重，極易產(chǎn)生磨耗磨損和黏結(jié)磨損，所以高溫合金的磨削具有一定難度[5]。高溫合金的粗磨采用白剛玉砂輪，精磨采用單晶剛玉砂輪，內(nèi)圓磨采用鐠釹剛玉砂輪。若有條件，也可采用CBN砂輪，內(nèi)外圓的精磨效果更佳。精磨采用[60#]～[80#]細(xì)粒度，在進(jìn)行粗磨、內(nèi)孔磨、端磨和薄壁磨削采用[40#]粗粒度，都采用散熱較為理想的陶瓷結(jié)合劑。

磨削高溫合金的砂輪線速度[νc]=16～22m/s，工件或工作臺線速度[νw]=20～35m/min;粗磨單行程[ap]=0.01～0.03mm，精磨[ap]=0.003～0.005mm，平磨[ap]=0.015～0.025mm;平磨橫向進(jìn)給量[fc]=1～6mm，外圓和內(nèi)圓磨橫向進(jìn)給量[fc]=1/10～1/5（砂輪寬度）mm/r。相應(yīng)地如果使用CBN砂輪時(shí)，[νc]=25～40m/s，平磨橫向進(jìn)給量[fc]=0.1～30mm，[νw]=15～40m/min，粗磨[fc]=0.025～0.05mm，精磨[fc]=0.015mm。

應(yīng)注意的問題：①磨削高溫合金將產(chǎn)生大量的磨削熱，所以必須加注充足的冷卻液，以便及時(shí)降低工件的溫度并及時(shí)沖洗工件;②為了保證磨削質(zhì)量和效率必須要多次修整砂輪保持砂輪鋒利;③精磨前要對修整好的砂輪進(jìn)行預(yù)磨，待砂輪表面穩(wěn)定后才開始精磨;④采用大深度大走刀法修整砂輪，以提高砂輪耐用度和磨削效率。

2.3 高溫合金的鉆削

鉆削高溫合金的鉆頭應(yīng)選用超硬高速鋼和YG類或鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料，一般鉆頭的頂角2￠=138°，[γ0]=9°～12°，[α0]=10°，整體錐度1/1 000～1.5/1 000。鉆頭刀刃寬度和橫刃刃磨時(shí)要盡可能小，減小切削抗力[6]。鉆削高溫合金還有可轉(zhuǎn)位淺孔鉆和鑲硬質(zhì)合金刀片的S型鉆，這兩種鉆頭無橫刃，軸向抗力很小，且在兩條切削刃上各有一個(gè)冷削液的出孔，冷卻潤滑效果好。

鉆削的切削用量主要是鉆削速度[νc]和進(jìn)給量[f]，高速鋼鉆頭的[νc]=4～8m/min，[f]=0.06～0.12mm/r;硬質(zhì)合金鉆頭和鑲硬質(zhì)合金刀片的S型鉆的[νc]和[f]相差不大，[νc]=5～16m/min，[f]=0.04～0.1mm/r;可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的[νc]=15～20m/min，[f]=0.08～0.15mm/r。

應(yīng)注意的問題：①小孔徑鉆削應(yīng)選用整體式或鑲片式硬質(zhì)合金鉆頭加工[7-13]，￠28～￠76mm的中孔徑孔應(yīng)選用可轉(zhuǎn)位淺孔鉆加工，￠76mm以上大孔徑孔不宜直接鉆削;②鉆削時(shí)對于[νc]和f來說，一般采用低的[νc]和較大的f，當(dāng)f=0時(shí)，要快速使鉆頭脫離切削表面，以免使切削表面硬化加劇，造成鉆刃的快速磨損;③新刃磨的鉆刃要用油石研磨消除鋸齒狀缺陷保持鋒利耐用，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)比鉆削一般材料小0.3～0.5mm;④高溫合金的鉆削必須使用切削液進(jìn)行冷卻潤滑，但要注意對鎳基、鈷基高溫合金鉆削時(shí)，禁止使用硫化油做切削液。

2.4 高溫合金的鉸孔

高溫合金的鉸孔使用最多的是YG類硬質(zhì)合金鉸刀，而變形高溫合金和的鉸孔就要使用高速鋼鉸刀。鉸刀[γ0]=0°～5°，[α0]=6°～8°，通孔鉸刀的切削錐為15°，盲孔鉸刀的切削錐為45°。圓柱部分的刃帶寬度應(yīng)小于0.1～0.2mm，切削刃[Ra]<0.1μm。硬質(zhì)合金鉸刀的[νc]=3～15m/min，[f]=0.07～0.5mm/r;高速鋼鉸刀的[νc]=2.5～5m/min，[f]=0.1～0.3mm/r。磨鈍標(biāo)準(zhǔn)0.2～0.3，比鉸削一般材料要小。使鉸刀保持鋒利。切削液一般選用乳化液、電解切削液或防銹冷卻液。

應(yīng)注意的問題：①使用YG類硬質(zhì)合金鉸刀進(jìn)行高溫合金的鉸孔時(shí)，一定要注意轉(zhuǎn)速，應(yīng)該比一般材料的轉(zhuǎn)速都要低，防止發(fā)生扎刃的現(xiàn)象;②高溫合金的鉸孔余量單邊應(yīng)不大于0.1mm，余量過大容易使切削表面加工硬化，從而造成鉸刀刃快速磨損，縮短鉸刀使用壽命;③新刃磨的鉆刃要用油石研磨消除鋸齒狀缺陷保持鋒利耐用，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)比鉆削一般材料小0.3～0.5mm;④高溫合金的鉸孔和鉆孔一樣，必須使用切削液進(jìn)行冷卻潤滑，但要注意，對鎳基、鈷基高溫合金進(jìn)行鉸孔時(shí)，禁止使用硫化油做切削液。

3 結(jié)語

高溫合金是典型的難加工材料，也是制造裝備行業(yè)常用的材料。經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)際加工，對四種冷切削加工方法進(jìn)行總結(jié)：一是高溫合金的車削加工;二是高溫合金的磨削加工;三是高溫合金的鉆削加工;四是高溫合金的鉸削加工。就四種加工方法的刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)選擇及實(shí)際加工中應(yīng)注意的問題給出一些具體的經(jīng)驗(yàn)。

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