基于車銑復(fù)合的高溫合金加工工藝研究

杜一男， 李洪平

（1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所， 北京 100095；2.空軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐北京地區(qū)第四軍事代表室， 北京 100041）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高， 對(duì)制造材料的耐熱性和耐腐蝕能力要求越來越高， 高溫合金作為在高溫下能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的高溫金屬材料， 已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域不可或缺的材料，但由于其材料特性，如何高效率、 高精度地加工仍然是航空制造業(yè)亟待解決的重要問題之一。 近年來，隨著車銑復(fù)合加工中心的高效率，高精度，智能化及復(fù)合化的發(fā)展，為解決高溫合金材料的加工難題提供很大幫助。 然而車銑復(fù)合加工工序集中提高加工效率的同時(shí)，也存在工件加工變形恢復(fù)時(shí)間短、關(guān)鍵尺寸難滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求等問題； 若切削參數(shù)設(shè)置不合理也會(huì)影響表面加工質(zhì)量。 所以高溫合金材料加工工藝的研究對(duì)我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 高溫合金GH4169 材料特性

高溫合金GH4169 的熔化溫度范圍為1260～1320℃，在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有極高的穩(wěn)定性， 并具有良好的高溫強(qiáng)度、硬度、抗氧化以及耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天以及新能源領(lǐng)域，主要化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1、表2[1]。

表1 GH4169 的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical composition of GH4169

表2 GH4169 的力學(xué)性能（室溫20℃）Tab.2 Mechanical properties of GH4169（room temperature 20℃）

GH4169 優(yōu)良的力學(xué)性能也增加了其加工難度，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）切削力大。 由于GH4169 的材料特性，在切削過程中，會(huì)產(chǎn)生較大的切削力，增加了刀具切削阻力。

（2）切削溫度高。 GH4169 的導(dǎo)熱系數(shù)小，散熱性差，在切削區(qū)，切削力又大，所以會(huì)集中大量的切削熱，形成很高的切削溫度。

（3） 加工硬化傾向大。 在切削溫度過高的情況下，GH4169 工件的加工表面會(huì)與周圍介質(zhì)中的氮、氫、氧等元素形成硬脆層[2]，并且也會(huì)產(chǎn)生巨大的塑性變形，給加工帶來難度。

（4）刀具磨損大。 GH4169 的硬度高，難切削，而產(chǎn)生的過高的切削熱亦會(huì)加劇刀具的磨損，縮短刀具壽命。

（5）切屑難處理。 GH4169 強(qiáng)度高，塑性韌性大，導(dǎo)致切屑呈帶狀，易纏在刀桿上，不易脫落，影響切削，也不安全。

（6）切削變形大。在加工過程產(chǎn)生的較高的切削溫度和較大的切削力，會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生熱變形，加工精度很難保證。

2 車銑復(fù)合加工特點(diǎn)

車銑復(fù)合加工中心是配備了Y 軸的車削中心， 高扭矩動(dòng)力刀和C 軸，動(dòng)力刀選項(xiàng)可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)VDI 軸或徑向驅(qū)動(dòng)刀，從而實(shí)現(xiàn)二級(jí)操作。車銑復(fù)合加工中心不僅僅是車削和銑削分別進(jìn)行工件的切削加工， 而是也可以進(jìn)行車銑合成運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。 通過銑刀和工件的同時(shí)旋轉(zhuǎn)，提高了工件對(duì)加工精度、位置精度和加工表面完整性等多方面的要求。 車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

與常規(guī)數(shù)控加工工藝相比，車銑復(fù)合加工具有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：

（1）工序集中化，提高生產(chǎn)效率。 一般配有十幾個(gè)刀位的混合式刀塔，可以安裝多種刀具，減少裝刀和換刀時(shí)間，工序集中的車銑復(fù)合加工可以通過一次裝夾實(shí)現(xiàn)多道或者全部工序加工，縮短產(chǎn)品加工周期，提高加工效率，同時(shí)也減少了工裝卡具的制造周期和成本。

（2）降低裝夾次數(shù)，提高加工精度。 工序集中避免了由于多次裝夾而導(dǎo)致的誤差積累，不僅能提高加工精度，也能保證同軸度等形位公差要求， 并且機(jī)床性能也有所提高，主軸提供了較高的工件定位和重復(fù)定位精度。

（3）冷卻液充足，降低切削溫度。 車銑復(fù)合加工中心配備的刀座帶有冷卻液出水口，可以調(diào)整方向，在切削過程中持續(xù)為刀片以及加工表面降溫， 可以有效地解決高溫合金切削溫度過高的難題。

圖1 車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of turnmilling machining center

3 加工工藝研究

3.1 刀具的選擇

3.1.1 刀具材料的選擇

切削難加工材料時(shí)，刀具的材料一般會(huì)選用高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷和立方氮化硼[3]。 其中，高速鋼硬度和抗磨損能力較高，一般用于銑削，但切削速度不宜過高，限制在30～45m/min，帶有涂層的高速鋼刀具使其切削性能和壽命方面有了很大的提高； 硬質(zhì)合金在切削溫度過高的情況下仍然能保持高硬度，適合高速切削，被廣泛應(yīng)用； 涂層硬質(zhì)合金是在硬質(zhì)合金上沉積非常薄的耐磨材料，在具有較高的熱硬性前提下，進(jìn)一步提高了刀具的抗磨損能力，被廣泛應(yīng)用；陶瓷具有較高的抗磨損能力，但是其對(duì)機(jī)床剛性、切削液以及工件材料都有一定的要求； 立方氮化硼雖然具有優(yōu)良的抗磨損能力和使用壽命，但價(jià)格昂貴，不是刀具的首選材料。

根據(jù)高溫合金的切削特性以及刀具材料的使用工況， 切削GH4169 時(shí)刀具材料應(yīng)選用鎢鈷類或含有難熔金屬化合物的硬質(zhì)合金，也可選用低鈷超硬高速鋼[4]。

3.1.2 刀具幾何參數(shù)的選擇

前角：粗車時(shí)，不必保證加工精度，為了提高加工效率，切削深度會(huì)較大，前角可取大一些，但前角過大會(huì)使切削刃強(qiáng)度減弱，散熱條件變差，刀具使用壽命降低，一般在10°～15°之間；精車時(shí)，為了保證加工精度以及表面粗糙度要求，前角應(yīng)取小些，一般在0°～5°之間。

后角：GH4169 散熱性差，切削溫度高，為了提高刀具使用壽命，減小后刀面與加工表面的摩擦，應(yīng)選用較大的后角，可選10°～18°之間。

主偏角： 主偏角的大小影響切削力在徑向和軸向上的分力大小，主偏角增大時(shí)，徑向切削分力減小，軸向切削分力增大，切削GH4169 時(shí)應(yīng)選用較小的主偏角，但主偏角過小會(huì)使徑向切削分力增加，容易引起振動(dòng)，一般在45°～70°之間。

刃傾角：粗車、斷續(xù)切削和加工盲孔時(shí)，為了保護(hù)刀尖和向后排出切屑，刃傾角應(yīng)為負(fù)值，一般為-10°；精車和加工通孔時(shí)，為了避免切屑劃傷已加工表面，刃傾角可取0°～3°。

刀尖圓弧半徑： 刀尖圓弧半徑應(yīng)不小于最大進(jìn)給量的1.25 倍，否則會(huì)出現(xiàn)刀片打滑，加工表面出現(xiàn)螺紋狀等現(xiàn)象，粗加工時(shí)，選用較大圓弧半徑，精加工時(shí)，選用較小圓弧半徑。

3.2 切削參數(shù)的確定

合理選用切削速度、進(jìn)給量、切削深度的大小，在保證加工精度的前提下，提高加工效率，降低加工成本。

切削速度決定加工成本和加工效率，增大切削速度會(huì)提高加工效率，但同時(shí)會(huì)加速刀具磨損，增加加工成本。車削時(shí)， 根據(jù)機(jī)床的性能以及車削工件直徑取適合的切削速度值， 當(dāng)切斷或切槽時(shí)， 由于刀片會(huì)與加工表面產(chǎn)生較大摩擦，應(yīng)降低切削速度。

進(jìn)給量與刀尖圓弧半徑是影響工件表面粗糙度的主要因素[5]，在切削過程中，若增加進(jìn)給量，摩擦熱也會(huì)隨之升高， 難以保證加工精度，若進(jìn)給量若過低也會(huì)降低加工效率，所以粗加工時(shí)選擇較大進(jìn)給量，精加工時(shí)選擇較小進(jìn)給量。 車削時(shí)，粗車進(jìn)給量一般為0.1mm/r～0.5mm/r，精車時(shí)可取更?。汇娤鲿r(shí)，根據(jù)銑刀直徑選擇進(jìn)給量的大小，每齒進(jìn)給量選擇范圍為0.03mm/z～0.25mm/z。

切削深度與待加工工件的去除余量有關(guān)，粗加工時(shí)，應(yīng)小于有效切削刃長(zhǎng)度；精加工時(shí)，不宜過小，不應(yīng)超過刀尖圓弧半徑值的1/3。

3.3 加工工藝路線設(shè)計(jì)原則

根據(jù)車銑復(fù)合加工中心的刀位數(shù)，在保證刀塔旋轉(zhuǎn)和切削時(shí)不會(huì)撞刀或撞到尾座的前提下，充分利用每一個(gè)刀位，盡量減少換刀次數(shù)，提高加工效率。合理安排加工路線，一般遵循先粗后精、工序集中、一次定位、先面后孔等原則。盡量通過一次裝夾便可實(shí)現(xiàn)零件的所有工序或大部分工序的加工，在縮短生產(chǎn)周期的同時(shí)又能提高加工精度。

在銑削高溫合金型腔時(shí)，若去除余量較大，工件在較大切削力的作用下易產(chǎn)生變形，要留精加工余量，為使工件有一段變形恢復(fù)時(shí)間， 在最后一道工序完成關(guān)鍵尺寸的精加工。

3.4 加工工藝方案確定

以GH4169 軸類零件圖2 為例，分析零件結(jié)構(gòu)，確定其加工工藝方案。此零件內(nèi)孔去除余量較大，為了提高加工效率， 利用銑刀和工件的同時(shí)旋轉(zhuǎn)來完成內(nèi)徑φ18 尺寸的加工，8 個(gè)φ3.5 斜孔需要用到可調(diào)角度動(dòng)力刀座進(jìn)行加工， 零件可通過一次裝夾完成所有加工工序， 根據(jù)其加工精度以及表面粗糙度的要求，選取切削參數(shù)， 加工工藝方案見表3。

內(nèi)徑φ18 加工工序編程舉例：

O00004； （程序編號(hào)）

圖2 GH4169 軸類零件Fig.2 GH4169 shaft parts

表3 加工工藝方案Tab.3 Processing plan

4 結(jié)論

本文基于車銑復(fù)合加工中心的加工特點(diǎn)與高溫合金的材料特性， 并根據(jù)理論分析與實(shí)際加工生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，分析總結(jié)了切削GH4169 材料時(shí)刀具的選擇、切削參數(shù)的確定，加工工藝路線設(shè)計(jì)的原則，通過合理按安排加工工藝，解決了GH4169 軸類零件切削溫度高、切削變形大等難題，達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，并提高了刀具使用壽命。通過對(duì)高溫合金加工工藝的研究，以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求。