镍基高温合金的切削加工.pdf
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1、FORUM 论坛 46航空制造技术2010 年第 11 期 镍基高温合金的切削加工 沈阳黎明航空发动机 (集团) 有限责任公司 赵秀芬 王玉华 刘 阳 王兴林 山东大学机械工程学院万 熠 航空发动机零件结构复杂, 而高温合金等难加工材料 加工难度更大。对工件来说, 复杂型面数控程序优化难, 高 温合金材料容易造成加工变形和让刀, 使加工精度不符合 要求; 对刀具来说, 加工镍基高温合金零件, 容易造成刀具 快速磨损, 刀具消耗大。 现在的涡扇发动机的材料中难 加工材料占绝大部分, 其中高温合金 有 65%, 其相对加工性很低。同时, 航空航天发动机中叶片、 机匣件等形 状复杂, 表面完整性要求
2、又高, 使镍 基高温合金零件的切削加工更为困 难。 航空发动机零件结构复杂, 而高 温合金等难加工材料加工难度更大。 对工件来说, 复杂型面数控程序优化 难, 高温合金材料容易造成加工变形 和让刀, 使加工精度不符合要求; 对 一部分强化作用, 此外还有一些碳化 物起强化相作用。GH4169 未经时效 时, 基本上为单相奥氏体, 组织中强 化相不多, 此时一般仅能应用于受力 不太大的高温薄壁零件, 对于高温受 力零件 , 如叶片、 涡轮盘、 涡轮轴等, 则必须经过时效处理, 淬火后得到饱 和的镍基奥氏体, 经过时效后析出金 属间化合物 和 相以及碳化 物强化相。它们呈弥散状分布于晶 内 (以
3、为多)和晶界处 (以 为多) , 从而强化了晶界。这种局部 合金化能阻碍晶界滑动和迁移。这 些强化相越多, 合金强度、 硬度越高, 耐磨性越好。高温合金的抗拉强度 要比一般合金钢高很多, 尤其是其高 温强度和韧性, 一般到 750才开始 有明显下降, 但导热系数约是钢的 30%, 加上大量金属间化合物 、 的作用, 使高温合金的切削加 工出现切削力大、 切削温度高、 刀具 赵秀芬 高级工程师, 现主要从事航空发 动机难加材料的匹配刀具选择、 高效 加工、 切削参数优化、 刀具国产化等方 面的研究。 Cutting of Nickel-Based High Temperature Alloy 刀
4、具来说, 加工镍基高温合金零件, 容易造成刀具快速磨损, 刀具消耗 大。 镍基高温合金材料的主要成分 为镍, 以 GH4169 为例, 其镍的含量 为 50%55%, 其余主要元素有 Fe、 Cr、 Nb 等 。它是以体心立方 Ni3Nb ( )和面心立方 Ni3(Al,Ti, Nb) ( )强化的镍铁基合金 (通常称为 镍基合金) , 从低温到 700以下具 有高的屈服强度、 拉伸强度和持久强 度。在 650760具有良好的塑 性, 一般认为 GH4169 的组织是由 基体和 NbC、 、 、 相组成。 NbC(Ti、 Nb) (CN) 等碳化物数量 很少, 比较稳定。 相数量最多, 是合金
5、的主要强化相。晶格常数为 a0=3.642A, c0=7.406A, 呈圆盘状在 基体中弥散析出, 强化作用是通过 的共格畸变而实现。 相数 量次之, 呈球状弥散析出, 对合金起 2010 年第 11 期航空制造技术47 未来刀具Future CuttingTool 磨损严重、 加工硬化严重等问题, 显 得特别难加工。 镍基高温合金切削加工的主要 问题表现在以下几个方面 : (1) 切削力较大, 一般为加工钢 材的 1.5 2 倍。 (2) 切削温度高, 在相同条件下, 切削温度约为 45 钢的 1.5 2 倍。 (3)刀具磨损严重, 机械磨损、 粘结磨损、 扩散磨损和氧化磨损均比 较严重,
6、使刀具寿命明显降低。 (4) 加工硬化现象严重, 已加工 表面硬化程度可达基体硬度的 1.5 2 倍。 (5)切屑硬而韧, 不易折断, 造 成切削过程中切屑处理困难。 在以上 5 个难加工特点中, 对生 产实际影响最大的是刀具磨损严重。 因此在生产现场, 切削镍基高温合金 的机床旁往往摆放许多的刀具, 更换 刀具比更换零件的频率要高得多, 是 一种典型的 “刀海” 战术。解决镍基 合金的难加工问题对航空航天工业 有非常大的实际意义。本文通过车、 铣加工实例说明镍基高温合金的切 削加工性。 高温合金的车削加工实例 高温合金车加工中时必须注意: 既要求刀具锋利, 还要保证足够的刀 尖强度。刃口必须
7、经过仔细刃磨, 保 持刀具较好的表面粗糙度, 保证刃口 光滑, 不允许有任何崩刃、 缺口、 裂纹 和毛刺, 防止在加工高温合金时刀片 崩刃损坏。而选用硬质合金刀具材 料时, 应注意合金颗粒的大小, 颗粒 越小, 刀具寿命越高, 抗边界磨损的 能力越大。刀片的耐磨性要好, 才能 保证加工高温合金发动机零件高的 技术条件和表面质量。 某发动机零件, 材料是 GH4169, 在车内孔工序: 加工长度 109.5mm, 孔 径 为 166mm。 由 于 内 孔 表 面 跳动值是 0.02mm, 表面粗糙度是 Ra0.8m, 要求很高, 而材料本身加 工性又很差。精加工使用一般的刀 片一直很难保证要求,
8、 跳动值一般在 0.05mm, 经常超差; 而且加工效率又 低, 刀片很容易磨损。 为解决这个问题, 我们经试验 比较选择了 VNGP160408 S05F。这 个刀片采用了新技术, 是专为镍基 高温合金的切削而设计的。刀片 采用更细的晶粒, 表面有 4m 的 CVDTiCN-Al2O3-TiN 的薄涂层。根 据产品样本介绍:此刀片特别适 合镍基高温合金的精加工, 其耐磨 性好, 适用于小切深。试验时我们 采用的参数:转速 40r/min, 进给量 0.18mm/r, 切深 0.1mm。但跳动值仍 然是 0.025mm, 而且刀片有磨损。通 过分析我们认为是切削参数过低造 成的。首先 0.1m
9、m 的切深, 是在硬 化层上切削, 严格的说不是切削而是 磨削; 况且硬化层比基体硬得多, 自 然刀片磨损得快。另一方面其线速 度过低, 容易造成冷焊现象, 导致表 面质量不好, 而且这刀片是 G 公差, 速度高些才能显示出优越性。所以 提高参数: 转速60 r/min, 进给量0.18 mm/r, 切深 0.25mm。加工几刀后, 刀 片几乎没有磨损 , 跳动值 0.01mm, 在 公 差 范 围 内, 表 面 很 好, 达 到 Ra0.8m 以下。切削时间比原来相 比减少了 7min。采用这种新型刀片 解决了超差的问题, 保证了质量, 而 且综合计算成本有所降低。 另一高温合金零件, 有端
10、面槽, 宽 10mm 左右 , 深 28mm, 且槽表面 跳动值在 0.015mm, 用原来的刀片很 难保证 , 经常超差。因为一般厂家 的槽刀定位方式是 V 型弧面定位 , 用侧刃加工会有微小窜动, 尽管这些 微小窜动仅在若干微米区间, 但如果 不断重复, 使切削刃处于不适当的位 置, 就会影响 0.015mm 精度的保证。 我们查阅了资料, 选择了某厂家 新型刀片。此刀片和刀杆配合是 T 型导轨定位, 这种 T 型导轨设计将刀 片准确固定在刀体上, 并高度稳定以 保持切削刃位置, 不会产生窜动。我 们用 T 型导轨定位的槽刀加工, 有效 地解决了槽表面跳动值超差问题, 保 证了 0.015
11、mm 的跳动精度。 我公司加工一转包零件是直径 1 米多的环形件, 壁厚 2mm, 其跳动 值要求很高, 而且是高温合金材料, 很难保证形位公差。由于直径大且 壁薄, 一般刀片加工都会产生变形。 而且变形后发生让刀现象, 表面加工 硬化, 刀具非常容易磨损。 通过分析我们认为加工此件时 防止变形是主要的任务, 这就需要 刀具锋利, 不能产生加工硬化。我 们大胆采用了加工铝合金的大前角 抛光刀片。这种刀片本是加工铝材 料的, 现在用在高温合金壁薄件加 工上效果也很好。我们先后试验 了 2 种 刀 片 VBGT160408-W-25、 VCGT160408F-AL KX 效果都很好。 原来用加工高
12、温合金刀片加工一个 大表面时, 中间要换刀, 有接刀痕而 且变形量在0.05mm以上,需补加工。 用大前角抛光刀片中间不用换刀, 由 于刀尖锋利, 也大大减小了变形量, 其变形量控制在 0.02mm 以内, 保证 了形位公差要求。 T形导轨定位示意图 刀片 V 形 夹具 导轨形状 FORUM 论坛 48航空制造技术2010 年第 11 期 高温合金的铣削加工实例 高温合金的铣削是断续切削, 要 求铣刀刀齿有足够的强度, 使其能承 受高温合金切削的变形抗力和切屑 负载。通常用进口的立铣刀铣削高 温合金, 线速度 3060mm/min 之间, 切削深度为 0.10.3D(D 为刀具直 径) , 每
13、齿进给依刀具直径的大小而 不同。 现在无论是进口刀具还是国产 刀具都有适合高温合金加工的五刃 铣刀, 能获得高的金属移除率。加工 一封严环形件, 材料是镍基高温合 金, 用一般的铣刀切削参数很低, 而 且刀具寿命也低, 频繁换刀, 机床占 用时间长。为提高效率减少机床占 用时间, 我们采用了新型高性能整体 硬质合金立铣刀具, 这种铣刀有 5 个 切削刃 , 刃间角不等分 , 能减少振 动。这种铣刀的特点是既能获得较 高的效率, 又有足够容屑空间。在近 端齿芯部直径小 , 近柄部芯部直径 大, 断面呈抛物线状, 而且是不等分 的刃倾角,可使切削平稳,减少振动, 每个槽型也不相同。 经过试验, 我
14、们最终采用的参数 是: 转速 1000r/mim, 进给量 200mm/ min, 切深 4.5mm, 切宽 6.5 mm, 一把 刀具可加工 3 件。而用原来四刃刀 具的参数仅为转速 300 r/mim, 进给 量 70 mm/min, 一把刀只能加工 2 件。 相比之下, 采用这种新型刀具, 效率 大幅度提高。 加工高温合金若要大幅度提高 效率, 高性能陶瓷刀片是首选。一般 来说高温合金的抗拉强度到 750 才开始有明显下降, 而陶瓷刀具在 900时红硬性也非常好。我们在加 工中介机匣时为提高效率采用陶瓷 刀具加工, 取得了很好的效果。 中介机匣的材料是 inconel718 (含 镍 5
15、1% 左 右,硬 度 HRC32 35) , 形状中间有很多 “岛区” , 单边 加工余量最大 30mm 以上, 最小也超 过 20mm, 加工难度很大。原来采用 硬质合金刀具进行铣削加工, 刀具磨 损、 破损严重, 加工效率很低。 用陶瓷刀具在真件上做圆台连 续切削, 注意切入、 切出的角度, 采用 了不同切深多种参数, 试验结果如表 1 所示。 从表 1 试验结果可见, TiN 金属 陶瓷不适合高温合金的切削加工。 而 Si3N4赛阿龙陶瓷刀片则非常适合 加工镍基高温合金。用赛阿龙陶瓷 刀片进行加工时, 加大切削深度, 效 果反而更好。这是因为赛阿龙陶瓷 刀具是采用 Al2O3为耐磨相,
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