鎳硅合金細(xì)長軸車削加工技術(shù)研究

楊少勇

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550008)

1 引言

高溫合金又稱耐熱合金或熱強(qiáng)合金，它是多組元的復(fù)雜合金，以鐵、鎳、鈷、鈦等為基，能在600～1000℃的高溫氧化環(huán)境及燃?xì)飧g條件下工作，而且還可以在一定應(yīng)力作用下長期工作，具有優(yōu)良的熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性能和熱疲勞性能。

不過，高溫合金屬于典型的難切削材料，硬度高于250HBS、強(qiáng)度σb>0.98GPa、延伸率δ>30%、沖擊值ak>9.8×105J/m2、導(dǎo)熱系數(shù)k<41.9W/(m2℃)，耐高溫的特性直接加大了加工難度，在加工時(shí)的大切削力和高溫共同作用下，刀具產(chǎn)生碎片或變形，進(jìn)而斷裂；此外，此類合金會(huì)迅速產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，工件在加工時(shí)產(chǎn)生的硬化表面會(huì)導(dǎo)致刀具切削刃在切深處產(chǎn)生缺口，并使工件產(chǎn)生不良應(yīng)力，破壞加工零件的幾何精度。

2 現(xiàn)狀分析

國外學(xué)者對(duì)高溫合金切削加工做了大量研究。1939年，英國Mond鎳公司(國際鎳公司)首先研制了鎳基合金Nimonic 75，隨后發(fā)展的Nimonic80成功用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片材料，形成了Nimonic鎳基合金系列。1940年初，美國開發(fā)了Hastelloy B 鎳基合金用于GE公司的Bellp-59噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。1950年，美國PW公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出了Waspalloy、M-252和Udmit 500等合金，并在此基礎(chǔ)上形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌號(hào)，廣泛用于渦輪葉片。1940～1950年中期，合金成分的調(diào)整。1950年：真空熔煉技術(shù)的出現(xiàn)，使大批如Mar-M200、In 100等高性能鑄造高溫合金得以開發(fā)。1960年以后，定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機(jī)械合金化、陶瓷過濾等溫鍛造等新工藝的發(fā)展，成為高溫合金發(fā)展的主要推動(dòng)力。同樣，國內(nèi)學(xué)者也做了大量研究，1956年～1957年，WP-5發(fā)動(dòng)機(jī)用GH3030、GH4033、GH34和K412合金相繼試制成功；1960年，GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、GH3128、K417等合金先后研制成功；還先后為各種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制了一批高溫合金；與此同時(shí)，高溫合金開始推廣應(yīng)用到民用工業(yè)部門，如柴油機(jī)增壓渦輪、地面燃?xì)廨啓C(jī)等，并相繼開發(fā)出了一批高溫耐磨和耐蝕高溫合金；1970年，高溫合金的生產(chǎn)試制和研究已初具規(guī)模，通過仿制、消化和發(fā)展蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金及其工藝質(zhì)量已達(dá)到或超過蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)物水平，航空發(fā)動(dòng)機(jī)所需材料全部立足于國內(nèi)。

目前，我公司經(jīng)常加工高溫合金，但是對(duì)高溫合金加工過程切削參數(shù)、刀具材料及角度、冷卻潤滑、材料性能等系統(tǒng)研究不足，迫切需要對(duì)高溫合金加工進(jìn)行系統(tǒng)性研究，為未來的高性能連接器大批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。因此，迫切需要開展對(duì)高溫合金加工技術(shù)進(jìn)行研究，滿足車間實(shí)際生產(chǎn)需求。

3 零件結(jié)構(gòu)分析

以細(xì)長軸針體零件(見圖1)為例，該零件要求機(jī)械強(qiáng)度高，且高溫抗蠕變能力強(qiáng)，該針體總長為32mm，直徑分別為Φ1.2mm、Φ1.5mm、Φ1.58mm，屬于細(xì)長軸零件，在加工過程容易變形，需要對(duì)變形進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)需求。

圖1 針體零件

4 刀具的選擇

由于加工鎳硅合金要求刀具硬度高、質(zhì)地緊密、傳熱效果好、高溫活性強(qiáng)，特別是在600℃時(shí)與氧、氮產(chǎn)生間隙固溶，在加工鎳硅合金時(shí)表面硬度明顯上升，對(duì)刀具具有強(qiáng)烈的磨損作用。由于涂層刀具具有耐磨耐高溫特性，因此在加工此類高溫合金零件時(shí)應(yīng)盡量選用涂層刀具。

涂層硬質(zhì)合金刀具幾乎適用于各種難加工材料的切削加工，但涂層的性能(單一涂層和復(fù)合涂層)差異很大，因此，應(yīng)根據(jù)不同的加工對(duì)象，選用適宜的涂層刀具材料。金剛石涂層硬質(zhì)合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂層硬質(zhì)合金，使涂層刀具的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，脫離實(shí)際加工需要而盲目選用新型材料刀片，也可能增大加工成本，使用新型材料刀片時(shí)，如采用不正確的切削速度和進(jìn)給率，也會(huì)影響工件加工質(zhì)量和刀具使用壽命。因此，選用難加工材料切削刀片時(shí)，需要正確評(píng)估加工的經(jīng)濟(jì)性和綜合考慮整個(gè)加工工藝過程。

在對(duì)刀具選擇分析的基礎(chǔ)上，本文選用專用鎳合金加工刀片(見圖2)和專用高溫合金刀片(見圖3)進(jìn)行加工試驗(yàn)，刀具性能如表1所示。

圖2 專用鎳合金外圓車刀

圖3 專用高溫合金外圓車刀

表1 刀具性能表

5 切削液分析

切削液可以選擇水基切削液，傳熱快，流動(dòng)性好的冷卻液，不可用含氯的切削液，加工中不能與鋁、鋅及其合金、銅以及錫等混合，如果切削液中含氯，切削過程中高溫下將分解釋放出氫氣，被鎳吸收后引起表皮脆裂，也可能引起鎳合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂。

車間切削液主要使用福斯品牌，型號(hào)ECOCOOLEM5是一種乳白色水溶性切削液，其化學(xué)成分如表2所示。從表2中可以看出，此切削液為水基，主要成份為礦物油，不含氯，符合加工鎳合金條件要求，此切削液可以滿足鎳合金加工要求。

表2 切削液化學(xué)成份

6 車削加工驗(yàn)證分析

由于縱切自動(dòng)車屬于一刀車削到位，切削力大，導(dǎo)致零件容易變形，表面質(zhì)量差，需要對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行檢測，及時(shí)修改變動(dòng)量，更改程序參數(shù)和刀補(bǔ)。同時(shí)，由于加工設(shè)備屬于縱切自動(dòng)車，該設(shè)備不分粗精加工，一次走刀全部加工到尺寸精度，所以對(duì)刀具性能提出了更高的要求。

切削鎳鉻鎳硅合金時(shí)，切削溫度高，刀具耐用度低，切削速度對(duì)切削溫度的影響最大，一般情況下，硬質(zhì)合金刀具保持在650℃～750℃。通過多次車削加工試驗(yàn)，得出如下切削參數(shù)：

1)切削速度vc

切削速度刀具耐用程度影響最大，最好能使刀具在相對(duì)磨損最小的情況下設(shè)置切削速度，可根據(jù)不同切削材料硬度和切削深度來設(shè)置，盡量選用較小的切削速度來加工鎳合金。一般粗銑為20～50m/min，精銑為40～70m/min；

2)進(jìn)給量f

進(jìn)給量對(duì)刀具的耐用度影響較小，在保證加工表面粗糙度的情況下，可選擇較大的進(jìn)給量，一般情況下可選擇0.003～0.006mm/r，進(jìn)給量不能太大，太大會(huì)使刀具磨損加快，增大切削力，導(dǎo)致零件變形。因此，一般不要大于0.006 mm/r。

3)切削深度ap

切削深度對(duì)刀具的耐用度影響最小，一般可先用較大的切削深度，這樣可避免刀尖在硬化層內(nèi)切削，還可以增加刀刃工作長度，有利于散熱，縱切自動(dòng)車是一刀車到尺寸公差，切削深度等于毛坯減去零件尺寸，不能人為調(diào)整。

通過使用專用鎳合金加工刀片和專用高溫合金刀片進(jìn)行加工驗(yàn)證，零件加工效果如圖5和圖6所示，從試加工驗(yàn)證情況分析，認(rèn)為在相同的加工條件下，專用鎳合金刀片獲得了好的零件表面效果，且刀具沒有明顯的磨損；專用高溫合金刀片加工的零件粗糙度值大，不能滿足圖紙要求。因此，外圓刀片選用專用鎳合金刀片。

圖4 專用鎳合金刀片車削

圖5 專用高溫合金刀片

7 總結(jié)

針對(duì)鎳鉻鎳硅合金接觸件不具備加工能力的問題，本文從刀具、工藝參數(shù)方面入手，進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)，找到了適合鎳鉻鎳硅合金加工的刀具，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，解決了鎳鉻鎳硅合金加工問題，使得車間由不能加工到能加工該材料，首次具備了加工鎳鉻鎳硅合金材料的能力，極大地提高了零件加工質(zhì)量和加工效率，為公司鎳硅高溫合金接觸件批生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。