鈮鎢合金車削技術(shù)研究

劉 林 何小虎 董效文

（西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安710100）

1 概述

鈮合金是難熔金屬中密度最小的材料，在1100～1650℃下有較高的強度，焊接性能好；它的室溫塑性好，能制成薄板和外形復(fù)雜的零件。

因此，在超高音速飛機、航天飛行器、衛(wèi)星、導(dǎo)彈和超音速低空火箭上可作為優(yōu)選的熱防護材料和結(jié)構(gòu)材料。針對航天應(yīng)用，鈮合金主要用作高比沖、能多次啟動、推力可調(diào)節(jié)的雙組元液體火箭發(fā)動機。

2 結(jié)構(gòu)特點

依據(jù)液體發(fā)動機推力大小的不同，不同型號燃燒室段的直徑加工尺寸通常相差數(shù)倍。對于大推力的發(fā)動機身部，內(nèi)徑尺寸較大，在加工過程中較為方便；而小推力發(fā)動機身部因自身結(jié)構(gòu)小，在車加工過程中就會遇到深小孔結(jié)構(gòu)，大大增加了加工的難度。零件示意圖如圖1。

圖1

3 加工難點分析

3.1 冷卻性能差

鈮鎢合金屬于難熔融金屬，導(dǎo)熱性好，切削過程中熱量容易留在材料上，短時間內(nèi)零件表面溫度急劇升高，極易產(chǎn)生加工硬化，加工硬化后材料表面硬度升高，塑性降低，使刀具磨損加劇，切削力加大。

3.2 刀桿震顫

零件需精加工到孔深比D：L 為1：10 的深小孔，而且是由直線，圓弧等形成的曲線內(nèi)型面。要加工到零件喉部位置，傳統(tǒng)的機械加工刀具難以滿足加工要求，需要針對零件型面特點磨制專用形狀的刀具。但是自制刀具加工到喉部位置時，因刀桿直徑小，導(dǎo)致刀桿強度不足，刀桿震動嚴重。喉部尺寸為零件的關(guān)鍵尺寸，公差范圍僅為20μm，刀桿的震顫直接影響到對喉部的精密加工過程，嚴重時刀桿甚至會折斷。

3.3 不易排屑

鈮鎢合金對刀具的化學親和力強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具很容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損，導(dǎo)致切屑無法順利排除。切屑粘付在刀尖上，形成刀瘤，影響加工表面質(zhì)量，粗糙度最好能達到Ra12.6，如果刀瘤連續(xù)產(chǎn)生，就會出現(xiàn)刀瘤在前刀面外堆積，使刀具完全失去切削能力，造成零件表面出現(xiàn)拉傷，刀具折斷的嚴重后果。尤其是對于小孔零件，無法用目視直接觀測，更不能手動排屑，加工過程更為困難。

4 加工方案選擇

4.1 冷卻液的選擇

鈮鎢合金粗加工時，零件表面質(zhì)量要求不高，為了降低切削溫度，可以向切削區(qū)域大量澆注以冷卻作用為主的切削液。切削液要求導(dǎo)熱系數(shù)大、熱容量大、汽化速度快，同時澆注要求流量大、流速快。

澆注常規(guī)冷卻液時，零件表面質(zhì)量一般可達到Ra12.3；車削刀具加工出的切屑一般為粒狀，刀具的前刃上常有腐刀現(xiàn)象產(chǎn)生；加工過程中刀尖極易磨損，加工過程中易出現(xiàn)鉤狀傷。粗加工過程中要注意控制鉤狀傷痕的深度，以便精加工的連續(xù)切削。

精加工時，應(yīng)該采用潤滑作用較大的極壓可溶性油作切削液，如蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油等。此類冷卻液雖然導(dǎo)熱系數(shù)、汽化能力不如水溶性冷卻液，但是潤滑效果極佳，有利于減小刀具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量并使切屑順利排出。尤其是在小孔精加工時，可溶性油冷卻液還能避免積屑瘤的產(chǎn)生，從而提高加工精度。

4.2 刀具材料的選擇

為了解決細長刀桿加工小孔時的震顫和排屑難的問題，刀具材料應(yīng)從增加刀桿強度和減少與鈮鎢合金親和力兩方面考慮。刀具材料料要求紅硬性好，抗彎強度高，導(dǎo)熱性好。高速鋼的耐熱性差，抗彎強度差，難以滿足鈮鎢合金材料的加工，因此應(yīng)選擇硬質(zhì)合金類刀具。

同時要達到增強刀桿強度的效果，硬質(zhì)合金刀具最好選用整體式，使用硬質(zhì)合金棒磨制專用車刀為最佳。經(jīng)選用各種材料加工對比后發(fā)現(xiàn)，YT 類硬質(zhì)合金會與鈮鎢合金產(chǎn)生親和，加劇刀具的粘結(jié)磨損，不宜用來加工鈮鎢合金零件。而YG 和YD類硬質(zhì)合金比較適合鈮鎢合金的加工，在實際加工中就選用了YD15 的硬質(zhì)合金棒來磨制專用車削刀具。

4.3 刀具幾何角度與切削用量的選擇

車削加工中的熱量有一大部分是由切屑帶走，而小孔鈮鎢合金加工易出現(xiàn)斷屑，斷屑不易排出就會影響精加工的質(zhì)量。事實上，通過選擇刀具的幾何角度和切削用量可以控制切屑流向改善切削質(zhì)量，實現(xiàn)加工過程中不斷屑。

（1）前角的選擇

鈮鎢合金過程中應(yīng)選用較大前角，是因為在切削過程中切屑沿著前刀面滑行；使用大前角滑行過程中遇到的阻力就會減小。同時增大刀具的前角還可以使刀尖保持鋒利，有利于降低切削力，切削過程中做的功就較少，還可以降低切削熱量，減小切削時的振動，減弱加工硬化效應(yīng)。但前角過大則會消弱切削刃的強度，降低刀具的耐用度。

（2）后角的選擇

鈮鎢合金塑性好，已加工表面回彈大。因此在后角的選擇上應(yīng)盡量避免材料回彈對后刀面造成摩擦、粘附、刮蹭等現(xiàn)象。較大的后角不僅可以避免后刀面磨損，而且可以避免影響已加工的面的質(zhì)量。

（3）主、副偏角的選擇

因車加工過程中溫度高、回彈大，在刀具剛性允許的條件下，減小主偏角，可以增加刀刃的有效工作長度，從而減小單位長度上的切削力。減小副偏角則可以增加刀尖強度，降低加工表面粗糙度，使加工表面達到Ra3.2。

（4）切削用量的選擇

車削加工鈮鎢合金時，切削溫度高、刀具壽命低，因此需要通過調(diào)節(jié)切削用量來控制切削溫度。硬質(zhì)合金刀具的最佳切削溫度約為650～750℃，為了降低切削溫度，車加工過程中一般采用較低的切削速度、較大的切削深度和進給量。

切削速度對刀具壽命影響最大，最好能使刀具在相對磨損最小的最佳切削速度下工作。進給量對刀具的壽命影響較小，但進給量太小容易使刀具在硬化層內(nèi)切削，從而加速刀具磨損，同時極薄的切屑不易于熱量的排除。切削深度對刀具壽命的影響最小，一般選用較大的切削深度，這樣不僅可以避免刀尖在硬化層內(nèi)切削，減小刀具磨損，還可增加刀刃的有效切削長度，有利于散熱。

（5）切削性能對比

通過上述分析在加工過程中采用不同幾何角度的專用車刀進行切削對比，在主偏角、副偏角、切削深度1mm、進給量0.05mm/r，不變時：分別選主軸轉(zhuǎn)速為700r/min 和300r/min；前角 為3～5°、15～17°、28～30°；后 角 為5～10°、20～25°、30～35°。分析刀具的切削性能，磨損情況，切屑形態(tài)和零件的表面質(zhì)量如下：

主軸轉(zhuǎn)速為700r/min 時刀具采用不同前角后角的切削情況。

表1

主軸轉(zhuǎn)速為300r/min 時刀具采用不同前角后角的切削情況。

表2

經(jīng)過試驗分析得出主軸轉(zhuǎn)速為300r/min，刀具前角為15～17°，后角為20～25°時刀具的切削性能好，磨損輕微，切屑形態(tài)為帶狀連續(xù)，不易產(chǎn)生刀瘤，散熱性好，零件加工表面質(zhì)量可達到Ra1.6～Ra3.2，完全滿足加工要求。

5 結(jié)論

通過對鈮鎢合金進行小孔車削加工中的難點進行分析，制定科學合理的解決方案，不僅可以提高加工效率，更改善了零件的加工質(zhì)量。通過生產(chǎn)實踐的反復(fù)對比與改進得到的加工參數(shù)，更為今后鈮鎢合金類零件的車削加工提供有力的數(shù)據(jù)支持。