基于低溫風(fēng)冷的超高強(qiáng)度鋼銑削技術(shù)研究

郭寧榮，宗 進(jìn)，黃振宇，孫鳴遠(yuǎn)

（中航工業(yè)洪都集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000）

0 引言

A100 超高強(qiáng)度鋼是一種強(qiáng)度高、硬度高的鋼，是飛機(jī)起落架首選材料。飛機(jī)起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件超高強(qiáng)度鋼的加工切削是航空制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，超高強(qiáng)度鋼具有高抗拉強(qiáng)度和硬度的特點(diǎn)，但存在切削變形大、切削力大、加工硬化顯著的問題，導(dǎo)致刀具磨損快，給切削帶來了極大難度。例如江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)部件加工廠的某些工件使用A100 材料，在零部件加工制造過程，面臨切削效率低、刀具消耗大的問題。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，任家隆等[1]針對(duì)GCr12、Cr12、45 號(hào)鋼三種中強(qiáng)度材料分別采用自然冷卻、常溫壓縮空氣、低溫風(fēng)冷方式進(jìn)行了切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)冷加工能夠提高刀具使用壽命，冷風(fēng)溫度越低，冷卻效果越好。趙威等[2]用液氮作為冷卻介質(zhì)，用于高速銑加工鈦合金發(fā)現(xiàn)，和干切削相比，刀具磨損與已加工表面粗糙度均相對(duì)較低。滿忠雷等[3]試驗(yàn)在氮?dú)饨橘|(zhì)下銑削鈦合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)刀具的磨損狀況比干銑削時(shí)得到明顯的改善，刀具壽命平均提高1 倍以上。北京航空航天大學(xué)袁松海等[4]用硬質(zhì)合金刀具銑削高強(qiáng)鋼30CrNi2MoVA 試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低溫微量潤(rùn)滑切削可以抑制刀刃處黏結(jié)物產(chǎn)生，延長(zhǎng)刀具使用壽命。安慶龍等[5]在鈦合金的平面磨削中，分別使用低溫干式冷風(fēng)、常規(guī)澆注以及低溫氣動(dòng)噴霧射流對(duì)磨削區(qū)進(jìn)行沖擊冷卻，發(fā)現(xiàn)采用低溫氣動(dòng)噴霧射流技術(shù)具有更好的冷卻效果。袁松梅等[6]指出，微量潤(rùn)滑技術(shù)作為一種綠色高效的加工方法，具有切削力低、延長(zhǎng)刀具壽命、提高工件表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝仍需完善。在已有研究的基礎(chǔ)上，本文通過研究低溫對(duì)于超高強(qiáng)度鋼的加工性能影響，提出對(duì)超高強(qiáng)度鋼的可加工性與現(xiàn)有力學(xué)性能指標(biāo)、刀具性能、切削參數(shù)之間的關(guān)系，探索降低刀具損耗、提升加工效率的工藝。

1 技術(shù)研究思路

1.1 基本需求分析

超高強(qiáng)度鋼（A100 鋼）具有高強(qiáng)度、高硬度，且具有高的斷裂韌性和延展性，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高韌結(jié)合，被廣泛用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)起落架等重要承力構(gòu)件。美國(guó)已成熟將其運(yùn)用于F22/F35 等先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)起落架上。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的A100 鋼材料技術(shù)及其配套加工工藝技術(shù)不斷完善，國(guó)內(nèi)新研飛機(jī)起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上也開始大量采用A100 鋼，這大大提高了飛機(jī)起落架的性能。然而，A100 鋼材料在銑削加工存在材料切削加工性差、刀具磨損嚴(yán)重、難加工的工藝難點(diǎn)，作為起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，毛坯去除率高達(dá)55%～60%，占零件加工周期35%以上。A100 鋼材料的切削加工性能是制約我國(guó)軍用戰(zhàn)斗機(jī)、艦載機(jī)、民用型號(hào)飛機(jī)起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件加工效率的共性問題。突破A100 超高強(qiáng)度鋼的零件銑削工藝，是推動(dòng)國(guó)家航空制造業(yè)生產(chǎn)效率提升、推動(dòng)國(guó)家航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展和確保國(guó)防安全的重大需求問題。

1.2 技術(shù)解決方案

采用超低溫風(fēng)冷（-60 ℃）微量潤(rùn)滑粗加工銑削A100 超高強(qiáng)度鋼（23Col4Ni12Cr3MoE）是一種清潔化高效加工方法。系統(tǒng)如圖1 所示，在加工中心旁設(shè)置低溫風(fēng)冷微量潤(rùn)滑加工裝置，風(fēng)冷微量潤(rùn)滑系統(tǒng)產(chǎn)生的超低溫壓縮空氣和微量潤(rùn)滑劑混合通過保溫管路輸送到主軸附近，冷氣分成2 路或3 路吹向刀具加工點(diǎn)附近，噴頭距離刀片5～30 mm。冷卻采用外置噴頭的方式，兩個(gè)噴頭呈45°角吹向加工點(diǎn)。

圖1 加工系統(tǒng)示意圖

2 超低溫風(fēng)冷加工與常溫切削液加工對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案和切削參數(shù)

本試驗(yàn)在成都龍泉卡爾中心展開，機(jī)床采用三軸強(qiáng)力銑床、超低溫風(fēng)冷微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，通過低溫風(fēng)冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷氣，輸送到加工中小刀具加工點(diǎn)，進(jìn)行低溫風(fēng)冷加工。

把試件A100 材料（23Col4Ni12Cr3MoE）加工成直徑130 mm 和160 mm 的棒料，底部開壓板槽，用于固定。試驗(yàn)過程采用銑面，首先用切削加工，選擇加工參數(shù)vc=90 m/s、Ap=0.5 mm、Fz=0.46、直徑De=32 mm、吃刀量ap=0.5 mm，獲取的切削加工效率和刀具壽命作為基準(zhǔn)。超低溫風(fēng)冷微量潤(rùn)滑系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)為溫度-60 ℃，進(jìn)氣流量100 m3/h，空氣壓力0.55 MPa，冷卻介質(zhì)為乳化液/低溫壓縮空氣。超低溫風(fēng)冷加工試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 超低溫風(fēng)冷加工試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.2 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)用材料分為直徑160 mm 與直徑130 mm 兩種規(guī)格，依據(jù)不同的切削參數(shù)編制了不同的加工程序；兩種規(guī)格高度都為125 mm，編制程序?yàn)樯媳砻鎴A心為G54，每個(gè)程序加工高度H=50 mm；每個(gè)試棒可加工兩次程序；程序采用先走內(nèi)腔模擬滿刃切削，再走外側(cè)壁高度輪廓。

2.3 試驗(yàn)過程

1）規(guī)范試驗(yàn)用量大小，切割成大小合適3 h 左右加工時(shí)間規(guī)格?？紤]材料、刀具切削性能，本試驗(yàn)棒料直徑為130 mm 和160 mm 有效加工高度為100 mm，將毛坯下料，底部銑壓板槽，壓板槽槽寬10 mm、深20 mm。

2）選用3 齒快進(jìn)給刀具瓦爾特Φ32R0H140（有效長(zhǎng)度140）；F2330.Z32.032.Z03.01.5；刀片P26335-R14WSP45S，3 個(gè)切削刃；選用3 齒圓刀片銑刀森拉天時(shí)Φ32R0H140（有效長(zhǎng)度140）；G251.32.R.03-12-35-RS；刀片RPHX1204M8SN-F50 CTCS245，8 個(gè)切削刃。

3）依據(jù)試驗(yàn)料大小編制走刀路徑，盡可能覆蓋毛坯表面，采用螺旋走刀路徑，注意下刀角度1°，確定切寬Ae=21 mm。

4）依照vc=90 m/s、Ap=0.5 mm、Fz=0.46，采用常溫水冷和-60°作為初始參數(shù)得到刀具壽命TL。

5）依次改變切削參數(shù)，如切深、每齒進(jìn)給量、線速度、溫度；通過調(diào)整得到最優(yōu)的綜合加工功效C，C=QTL，其中TL為刀具加工壽命，Q 為切屑去除量。

6）每組試驗(yàn)完成后，根據(jù)需要，每隔15～30 min，把刀片取下，在影像儀下觀察刀片磨損情況如圖3 所示。試驗(yàn)采用四川普賽PV4030-DCC 影像儀對(duì)刀片放大50 倍進(jìn)行觀察，并記錄，直至刀片完全磨損至不能使用，記錄下刀具的壽命。

圖3 普賽PV4030-DCC 影像儀測(cè)量刀片磨損狀態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

兩種切削工藝切出的試件，目視檢查無差異，低溫風(fēng)冷加工現(xiàn)場(chǎng)干凈，所有運(yùn)用低溫風(fēng)冷切削的綜合加工功效都顯著高于切削液加工。在相同的切削參數(shù)條件下，用常溫切削液加工，刀具壽命146 min，去除速率13.13 cm3/min，綜合加工功效1917 W；同樣的切削參數(shù)，改成低溫風(fēng)冷微量潤(rùn)滑加工，刀具壽命260min，刀具壽命提升了78.1%；綜合加工功效3412.5 W，提升了78.1%。四川普賽PV4030-DCC 影像儀對(duì)刀片放大50 倍的觀測(cè)如圖4 所示。

圖4 四川普賽PV4030-DCC 影像儀對(duì)刀片放大50 倍的觀測(cè)

4 結(jié)論

1）低溫風(fēng)冷微量潤(rùn)滑切削加工能顯著改善超高強(qiáng)度鋼的加工性能，在小的切削深度情況下（0.5 mm），刀具壽命最長(zhǎng)可達(dá)260 min，提升78%。

2）整體來看，-60 ℃低溫風(fēng)冷切削更適合超高強(qiáng)度鋼，低溫風(fēng)冷切削可以通過提高切深和進(jìn)給量釋放更多的機(jī)床加工能力，在超高強(qiáng)度鋼的切削加工中可以大力推廣超低溫風(fēng)冷微量潤(rùn)滑加工技術(shù)，因?yàn)槠涮岣吡说毒叩氖褂脡勖?，?jié)約了加工時(shí)間和成本。