K24鎳基高溫合金某零件鉆削參數(shù)研究

潘玉良 李炎臻

摘 要：高溫合金通常具有非常優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，但是合金中的“硬質(zhì)點(diǎn)”卻給零件的機(jī)械加工帶來(lái)了相當(dāng)大的困難，由于零件密度不均勻，加工時(shí)零件對(duì)刀具的沖擊很大，容易造成刀具的崩刃;而一些特殊化學(xué)元素的加入使刀具的磨損加快，刀具消耗量極高，極大地增加了加工成本和周期。該文要通過(guò)試驗(yàn)，優(yōu)化K24高溫合金的鉆削加工參數(shù)，從而提高零件的加工質(zhì)量、加工效率并降低加工成本。

關(guān)鍵詞：高溫合金;K24;切削參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG506? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

高溫合金也被稱(chēng)為熱強(qiáng)合金、耐熱合金或超級(jí)合金，它以鐵、鎳、鈷金屬元素為基礎(chǔ)，鉻、鉬、鋁等金屬元素為主要成分，能在600 ℃以上的高溫及一定的應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作，具有優(yōu)良的綜合性能?，F(xiàn)代航空飛機(jī)制造業(yè)在制造飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的材料上大量使用了高溫合金（大部分是極其難加工的鎳基高溫合金約占65 %），鈦合金大約占25 %，不銹鋼和其他材料只占10 %。鎳基高溫合金加工的工藝性能最差，不利于高速切削加工，為提高鎳基合金的加工效率需要積極地做好機(jī)械加工的切削參數(shù)試驗(yàn)的優(yōu)化。

發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口零件以機(jī)薄壁件為主，比如支架、隔熱板、調(diào)節(jié)片、梁等零件。噴口零件通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尋找定位基準(zhǔn)和工裝裝夾基準(zhǔn)相對(duì)比較困難;由于其材料密度不均勻，相對(duì)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上其他的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)零件，刀具耗損極快。因此，在實(shí)際加工過(guò)程中，尾噴口零件機(jī)械加工多采用鉆削加工的方式，通過(guò)對(duì)零件表面加工質(zhì)量和刀具的消耗進(jìn)行研究，進(jìn)而確定鉆削的加工參數(shù)。該文主要通過(guò)“正交試驗(yàn)法”綜合研究了切削三要素（切削速度v、背吃刀量ap和進(jìn)給量f ）、零件表面加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和刀具消耗量之間的關(guān)系，確定K24合理的鉆削參數(shù)范圍。

1 零件幾何結(jié)構(gòu)分析

K24鑄造高溫合金以金屬元素鎳為基，在真空條件下熔煉而成。為了獲得優(yōu)良的性能，K24合金在制備過(guò)程中采用各種工藝進(jìn)行強(qiáng)化，而正是由于這些特殊的處理，使零件內(nèi)部形成了密度不均勻的“硬質(zhì)點(diǎn)”。這些“硬質(zhì)點(diǎn)”的熱穩(wěn)定性極高，能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口800 ℃以上的高溫環(huán)境。綜上所述，K24材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上適用于制造尾噴口零件。此類(lèi)零件基本上都屬于薄壁結(jié)構(gòu)件，且毛坯全部都是鑄件，鑄造能達(dá)到的最小的零件壁厚為0.8 mm。零件最終表面只有定位孔和安裝面，需要經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，其余表面均為鑄造表面。此類(lèi)零件中定位孔的加工精度要求較高。由于零件在工裝的定位裝夾時(shí)找不到合理而且較為穩(wěn)定的定位面，而且在夾緊力的作用下零件容易發(fā)生變形。當(dāng)夾緊力撤銷(xiāo)后，零件變形恢復(fù)正常狀態(tài)并產(chǎn)生回彈，會(huì)極大地影響已加工表面的幾何精度，所以此類(lèi)零件的加工工藝性較差。

該文以零件A為例，分析了尾噴口結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和加工特點(diǎn)。

某零件A需要加工的部位有：直徑為10 mm的孔、孔上面的凸臺(tái)面、孔背面的凹槽面、零件的四周邊界面、大圓弧表面以及直徑為0.5 mm的小孔，其中Φ10孔的位置要求為0.1 mm、直徑為10 mm的孔對(duì)空間點(diǎn)對(duì)稱(chēng)度要求是0.3 mm，加工零件時(shí)所涉及的工種主要有銑工、鉗工和電加工工。這其中難以加工的部位是直徑為10 mm的孔和孔的上下表面。在直徑為10 mm的孔和孔的上表面時(shí)，必須選擇零件最大的定位面——大圓錐表面，但此表面為鑄造表面，屬于零件最終成形的表面，零件最終要求表面輪廓度為0.8，鑄造所能達(dá)到的最理想表面輪廓度是0.5，這樣的表面對(duì)于零件的定位還缺乏穩(wěn)定性和可靠性。所以此零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是壁薄、孔的技術(shù)條件要求高、用空間點(diǎn)起基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工基準(zhǔn)精度差。

2 零件工藝分析

薄壁零件的工藝路線必須經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)。尾噴口零件定位時(shí)需要對(duì)定位表面進(jìn)行處理使之與夾具配合表面接觸更充分，從而提高零件定位精度，并減小加工時(shí)刀具的振動(dòng)。

以零件A為例，其工藝路線安排如下：檢查毛料→振動(dòng)標(biāo)印→打磨定位圓錐表面→銑平面并鉆孔→锪加工孔背面臺(tái)階→銑端面大圓弧→銑四周輪廓面→鉆小孔→去重熔層→最終檢驗(yàn)。

零件A在未正式加工前，先進(jìn)行修基準(zhǔn)工序。零件加工的穩(wěn)定性和基準(zhǔn)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確性有關(guān)，而加工的穩(wěn)定性對(duì)加工切削參數(shù)試驗(yàn)的正確性影響很大。另外，如果加工穩(wěn)定性差還會(huì)增加零件尺寸和技術(shù)要求的保證難度;對(duì)刀具的壽命也十分不利，會(huì)增大刀具的磨損，嚴(yán)重的會(huì)使刀具產(chǎn)生崩刃。所以，尾噴口結(jié)構(gòu)件工藝安排上的一個(gè)主要特點(diǎn)是先進(jìn)行基準(zhǔn)修磨工序。

零件A的工裝設(shè)計(jì)對(duì)其加工時(shí)的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大的影響，根據(jù)工裝設(shè)計(jì)原則，選擇零件A的大錐面做定位，限制工件的3個(gè)自由度，再根據(jù)直徑為10 mm的孔距側(cè)面的尺寸要求，選擇側(cè)面做止動(dòng)面，然后再用壓板壓緊零件就可實(shí)現(xiàn)裝夾意圖。但由于此零件設(shè)計(jì)時(shí)多以空間點(diǎn)起尺寸，造成了孔的定位尺寸在空間中呈二面角的布置，為了將孔的中心線擺正，夾具必須擺二次角度，首先利用夾具底面將錐角落下，再利用夾具對(duì)稱(chēng)中心的旋轉(zhuǎn)軸將零件左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在立式三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上加工空間二面角的目的。

在零件加工時(shí)，將夾具找正，零件放入錐面內(nèi)靠住側(cè)面止動(dòng)面，再將夾具中心線與零件劃線后的中心線的位置調(diào)至重合，壓緊壓板后，零件和夾具一同進(jìn)行二位轉(zhuǎn)動(dòng)，每一個(gè)位置實(shí)現(xiàn)加工2個(gè)孔，2個(gè)位置就能實(shí)現(xiàn)加工4個(gè)孔。

基準(zhǔn)平面準(zhǔn)備完畢后，零件A可以正式進(jìn)行加工。由于Φ10孔的上臺(tái)階面加工前是鑄件的澆注冒口，根據(jù)工藝布置“先面后孔”和“工序集中”的原則，將銑平面和鉆孔集中安排成一道工序，既節(jié)省了零件的周轉(zhuǎn)時(shí)間，又保證了直徑為10 mm的孔和上臺(tái)階面的加工一致性，為后面的工序準(zhǔn)備了較為準(zhǔn)確的基準(zhǔn)。尾噴口結(jié)構(gòu)件工藝安排上的第二個(gè)特點(diǎn)是盡量進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，將鑄件表面的毛面基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為機(jī)加表面進(jìn)行后續(xù)工序的加工工作，提高零件加工質(zhì)量，也便于夾具設(shè)計(jì)和制造。實(shí)際上，在加工過(guò)程中，能獲得比較精準(zhǔn)的平面定位一直是工藝路線安排的首選原則，如果不能獲得大平面基準(zhǔn)，采用“三點(diǎn)”定位加上輔助支撐也是比較好的方案。

尾噴口結(jié)構(gòu)件工藝安排的第三個(gè)特點(diǎn)是電加工應(yīng)用較多。目前主要的電加工手段有線切割、電脈沖成型、激光打孔等幾種形式，在尾噴口結(jié)構(gòu)件大多應(yīng)用在非重要、非基準(zhǔn)表面的加工上。其最大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是切削力小、切削變形小;最大弊端是電極在放電時(shí)在加工表面形成重熔層，深度有0.03 mm～0.05 mm，它對(duì)零件表面疲勞強(qiáng)度的影響極大，嚴(yán)重的會(huì)使零件表面產(chǎn)生裂紋，從而引發(fā)零件更嚴(yán)重的缺陷。為了減小重熔層的危害，一般在電加工工序后安排去重熔層工序，使電加工表面光潔，從而降低零件表面應(yīng)力，并提高疲勞強(qiáng)度。

3 鉆削參數(shù)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)的基本條件

使用PSC2T-1000型直徑為8 mm合金鉆頭進(jìn)行加工余量為5 mm的鉆孔試驗(yàn)，使用充分澆注乳化液的冷卻模式。

3.2 試驗(yàn)方案

該文研究鉆削過(guò)程采用的是2因素（v、f），3水平正交試驗(yàn)，用直徑為8 mm合金鉆頭對(duì)鎳高溫合金材料的零件A進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)。首先，實(shí)驗(yàn)條件在水平1時(shí)，進(jìn)給量f為10 mm/min，切削速度v為550（v1=13.81） m/min。其次，改變?cè)囼?yàn)條件在水平2時(shí)，進(jìn)給量f為8 mm/min，切削速度v為650（v2=16.32） m/min。最后，再次改變實(shí)驗(yàn)條件至水平3時(shí)，進(jìn)給量f為6 mm/min，切削速度v為750（v1=18.84） m/min。

3.3 結(jié)論

根據(jù)鎳高溫合金材料零件A的切削參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制刀具耐用度曲線如圖1所示。依據(jù)耐用度曲線分布和單件成本數(shù)據(jù)分析如下：隨著進(jìn)給量f的增大，刀具耐用度逐漸變小;隨著切削速度v的增大，刀具耐用度逐漸變小;切削速度在A區(qū)時(shí)刀具耐用度變化幅度比在B區(qū)大，由于速度降低，耐用度的提高效果不會(huì)太明顯;綜合考慮加工時(shí)間成本和刀具消耗成本，零件A的鉆削參數(shù)應(yīng)優(yōu)先選擇速度為13.81 m/min、16.32 m/min和進(jìn)給量8 mm/min、10 mm/min的組合，即序號(hào)為1、2、6、7、8的參數(shù)組合。

在實(shí)際加工中，被納入工藝規(guī)程和數(shù)控操作說(shuō)明書(shū)的參數(shù)是S=640 mm/min、F=9.5 N，零件加工時(shí)間平均保持在1.9 min左右，刀具消耗為1/26。按此參數(shù)加工出來(lái)的零件的鐵屑大多呈60 mm左右的卷屑。

參考文獻(xiàn)

[1]牛宏寶，張偉.鈦合金的深孔鉆削技術(shù)研究[J].工具技術(shù)，2010（44）：46-48.

[2]袁巨龍，鄧朝暉，熊萬(wàn)里.高效磨削技術(shù)與裝備進(jìn)展及展望[J].航空制造技術(shù)，2010，22（5）：66-70.

[3]姚華.數(shù)控機(jī)床高速電主軸的研究進(jìn)展[J].機(jī)床與液壓，2004，120（2）：5-6，66.