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，

16、Si3N4为 硬化相， 具有很高的室温与高温硬 度， 优良的化学稳定性和抗机械磨损 性能， 在 1000的高温下仍能进行 切削。在 3mm 切深时远比 2mm 切 深接触长度大， 产生的切削热也高， 此时被加工材料在高温下发生软化， （高温合金的硬度一般到 750已开 始有明显下降） 靠材料的自软性， 使 刀片的切削加工更为容易， 工作寿命 也相应延长。因此， 陶瓷刀具切削镍 基高温合金采用大切深， 往往成为改 善切削加工性的有利因素。陶瓷刀 具通常比较适合镍基高温合金高速 切削。此外切削角的变化决定了刀 具的进刀方向， 对切削加工性的影响 也很大。 上述试验确定了陶瓷刀片铣削 中介机匣的加工

17、参数。 加工高温合金刀具选择和 切削参数、 程序优化 刀具与工件材料之间的正确匹 配也是实现高温合金加工的关键。 有一转包机匣件， 材料是含高钴的 镍基高温合金， 在采用硬质合金刀 具车削时加工效率极低， 刀具磨损 严重， 且不能保证尺寸精度和表面 质量。根据现场刀片的磨损形态， 发现所采用的刀具和被加工材料不 匹配。高钴镍基高温合金比一般的 镍基高温合金难加工得多， 切削抗 力更大， 切削温度更高。必须要选 择与被加工材料在物理、 化学和机 械性能都匹配的刀具才能保证顺 利加工。根据用陶瓷刀具切削中介 机匣的经验， 采用了赛阿龙陶瓷刀 具 RNGN120700KY2100、 陶瓷刀片 RNG

18、N120700 6065， 效果很好， 尺寸 精度和效率都很高， 表面粗糙度也改 善了。陶瓷刀具具有高温下的红硬 性和化学稳定性， 刀具寿命长。同时 切屑形态也从带状屑转变为单元切 屑。切屑与前刀面的摩擦将不再是 切削力和切削热的主要来源；后刀 表1 中介机匣的切削试验 刀片材料 转速 /（r min-1） 进给量 /（mm min-1） 切深 /mm 切削角 /（ ） 切削 时间 /s 刀片磨损形式 TiN 金属陶瓷350071623070崩齿严重 Si3N4赛阿龙4000154023080刀片半层剥落 Si3N4赛阿龙6000154023090 侧刃有崩齿 （未 在零件中） 刀片半 层剥落

19、 Si3N4赛阿龙75001900230110刀片半层剥落 Si3N4赛阿龙7500180020138崩齿严重 Si3N4赛阿龙7500200030180磨损不大 Si3N4赛阿龙7500200030190 磨损不大 （刀片转新面加工） Si3N4赛阿龙7500200030190 磨损不大 （刀片转新面加工） 2010 年第 11 期航空制造技术49 未来刀具Future CuttingTool 面处工件材料的弹性变形也将由于 变形速度逐渐跟不上切削速度而减 小， 使后刀面的摩擦也随着减小， 从 而对降低切削力和切削热产生有利 影响。硬质合金刀具和陶瓷刀具的 车削比较如表 2 所示。 从表 2

20、 中可以看出， 用此刀片加 工高钴的镍基高温合金和硬质合金 刀片相比， 效率大幅度提高： 是原来 刀具的 16 倍以上， 且尺寸精度、 表面 质量良好， 没有让刀。而用原来刀具 磨损严重， 质量难以保证。从表 2 中 还可看出：赛阿龙陶瓷刀具更适合 加工高钴的镍基高温合金。 此机匣件的铣加工分别采用了 铣 刀 体 KIPR032RP12CF04（3 刃） 铣刀片 RPGN120400E KY2100 和铣 刀体 WSRN-4032R（3 刃）铣刀片 RNGN1204000T01020WG-300 KER 两种刀具， 试验结果见表 3。 12 组参数是刀具商根据其样 本所给的参数。第 1 组参数

21、单纯的 用样本上加工高温合金的参数， 没有 考虑到此材料含高钴的特点： 粘度比 inconel718 大， 抗力大， 而刀片后角为 零， 使刀具粘结在后刀面上， 增加了 切削热的产生， 最致命的是每齿进给 只有 0.038mm， 切屑过薄使产生的切 削热不能被切屑带走， 热量传递到机 床会将轴抱住。第 2 组参数， 刀片选 采用了 RPGN ， 11后角， 而每齿进 给 0.1mm， 使刀片切屑负载还可以， 大 部分切削热能被切屑带走， 所以远比 第一组效果好。但由于线速度低， 陶 瓷刀具利用材料自软性的特点没发 挥出来， 所以刀具寿命也不理想。 表 3 中 35 组参数是我们根据 中介机匣经

22、验给出的试验参数， 因 为高钴的镍基高温合金切削抗力远 比 inconel718 大， 所以参数有所降低。 从表 3 可以看出： 切削参数即线速度 和每齿进给对陶瓷刀具的寿命的影 响很大， 线速度高， 产生的切削热大， 陶瓷刀具反而不易损害。 而每齿进给， 涉及到刀片所承受的切屑负载， 负载 过大， 刀片就易损坏。第 5 组参数线 速度所产生的切削热大， 而切屑负载 适中， 所以效果最佳。 镍基高温合金的铣削加工， 程序 优化也非常重要， 例如切削到拐角 处， 要圆滑走刀。中介机匣切槽加工 时 , 程序的影响非常大， 这部分余量 很大， 在岛之间切削， 频繁换向。开 始编程时， 走刀路线是拐直

23、角， 结果 在换向时切削力很大， 表现为零件很 热、 设备振动很大， 陶瓷刀具严重崩 刃。原因主要是陶瓷刀具的强度与 韧性相对较低， 切削过程中， 频繁换 向受到交变的应力作用， 在这些交变 应力作用下， 陶瓷刀具很容易沿晶界 产生微裂纹， 并逐渐扩展， 最后碎裂。 针对这种情况我们优化了程序， 在拐 角处参数应衰减的地方， 改成走圆 角。这样就解决了问题： 设备没有振 动、 零件也不热， 而刀片的磨损也为 正常磨损。 加工高温合金的切屑形式 镍基高温合金等难加工材料， 当 切削速度提高后， 切屑变形特点发生 明显变化， 从连续切屑变为不连续切 屑。加工镍基高温合金时， 随着切削 速度的提高，

24、 剪切变形区越来越窄， 形成集中剪切滑移， 最终产生单元体 相互分离的节状切屑。 镍基高温合金虽然通常切屑 为带状切屑， 但用陶瓷刀片高速 切削过程中， 切屑由带状屑变成 了碎屑， 但这与普通材料在低速 时产生的挤裂切屑有本质的不 同。随着切削速度的逐步提高 , 切削时的变形规律发生一些改 变。 切屑中的剪切变形逐渐加剧, 剪切区的滑移逐渐加 强 , 即使是塑性材料的 切屑形态， 也会逐渐从 带状切屑转变为锯齿 状切屑， 进而有可能转 变为单元切屑。由于 在高速切削的条件下 切屑由带状切屑转变 为单元切屑， 切屑与前 刀面的摩擦将不在是 切削力和切削热的主 要来源之一； 后刀面处 表3 陶瓷刀

25、具铣削高钴的镍基高温合金 刀体刀片材料 转速 /（r min-1） 进给 /（mm min-1） 切深 /mm 切削速度 /（mm min-1） 每齿进给量 / （mm z-1） 刀片磨损 形式 WSRN -4032R （3 刃） RNGN1204000 T01020WG -300 KER 180028022260.038 产生热量大， 将轴抱住 WSRP -4032R （3 刃） RPGN1204000, WG-300 KER 100040021250.1 稍好， 但刀片 仍有崩齿 KIP125 RP43570 （3 刃） RPGN120400E KY2100 300011002.52990

26、.122刀片有崩齿 360011002.52990.1 稍好， 但刀片 仍有崩齿 38009002.53790.0789效果好 表2 硬质合金刀具和陶瓷刀具的比较 刀具种类 主轴转速 /（r min-1） 切削速度 /（mm min-1） 每转进给 /（mm r-1） 进给速度 /mm 切深 /mm 效率比 表面 质量 硬质合金刀具8250.10.811不好 陶瓷刀具 （山特）70 2290.128.4 110.5良好 陶瓷刀具 （肯纳）802600.1612.8116良好 FORUM 论坛 50航空制造技术2010 年第 11 期 工件材料的弹性变形也将由于变形 速度逐渐跟不上切削速度而减少

27、， 后 刀面的摩擦也因此减少， 从而对降低 切削力和切削热产生有利影响 。高 速切削时切削热来不及传递到工件 及刀具上， 大部分热量由切屑带走。 因此工件和刀具都不热， 而切屑由于 高温氧化作用， 不但是成单元切屑， 而且特别酥。线速度 400m/min 时， 切屑变成了单元切屑， 而到了 700m/ min 以上， 切屑就变成了单元碎屑。 加工高温合金的方法选择 加工方法的选择对切削高温合 金有很大影响， 选择不当会产生加工 硬化， 通常， 推荐使用顺铣方式。 我们在加工收扩喷口零件 （铸造 高温合金）时， 就有这样的问题：加 工梁两侧的凸耳， 由于装夹和干涉的 原因， 只能一侧用顺铣， 一

28、侧用逆铣。 顺铣一侧表面质量好， 而且省刀。在 而逆铣一侧时， 表面易产生硬化， 屑 易夹在容屑槽内参加切削， 使表面质 量差又费刀。此例也说明了加工高 温合金最好选用顺铣。 现在的数控机床和加工中心都 采用顺铣方式。用这种方式加工镍 基高温合金， 对减少加工硬化的发生 非常有利。 镍基高温合金的铣 削加工， 会产生大量的切 削热， 所以高温合金的铣 削尤其是高速铣削要避 免大的接触长度。传统的 铣削方法是采用大的切 削宽度， 小的切深， 啮合 量很大， 刀具旋转一圈， 接触长度是刀具周长的 44% 左右， 不利于散热， 而镍基高温合金材料切削本身切削 热就很大， 尤其是在高速下切削热 高。高

29、速切削方法采用小的径向切 削深度， 使啮合量变小， 与传统切削 同样的切屑体积， 啮合量仅为刀具 周长的 20%， 从而降低切削热产生， 有利于镍基高温合金的铣削降低切 削热。高速切削方法采用小的径向 切削深度， 使啮合量变小， 与传统切 削同样的切屑体积， 啮合量仅为刀 具周长的 20%， 从而降低切削热产 生， 有利于镍基高温合金的铣削降 低切削热。 结论 （1）采用耐磨性好的和定位精 度高的刀具是保证高温合金零件高 精度的必要条件。 （2） Si3N4赛阿龙陶瓷刀具适合 镍基高温合金切削， 利用高速干式 切削产生的切削热 , 可使被加工材 料变软而改善其切削加工性 , 而陶 瓷刀具仍可保

30、持良好的高温红硬性 , 这是刀具寿命显著提高的根本原因。 （3）加工含高钴的镍基高温合 金， 陶瓷刀具远远比硬质合金刀具匹 配性好， 且经济高效。 （4）采用新型的五刃铣刀加工 高温合金效率可提高。 （5） 为了获得满意的加工效果， 切削参数的合理选择十分重要， 注意 切入和切出也能提高刀具寿命。加 工编程时对走刀路线的优化 （转角处 走圆角）对于改善刀具磨损状况提 高刀具寿命作用很大。 （6）高温合金采用陶瓷刀具进 行高速铣削时， 线速度 400m/min 以 上时， 改变了高温合金的带状切屑， 切屑形态为单元切屑， 而到了 700m/ min 时切屑形态变成了为酥脆的单 元碎屑。 （7） 加工高温合金， 采用合理的 切削方法， 能减少加工硬化， 降低切 削热， 提高刀具寿命。 （责编 侧卫） 切削速度提高切屑变形明显 （a） 切削速度 100m/min（b） 切削速度 125m/min（c） 切削速度 200m/min （a） 线速度为 400m/min 以上的单元切屑（b） 线速度为 700m/min 以上的单元切屑 陶瓷刀具高速切削时的切屑 传统铣削方法 AE=8AE=1 高速铣削方法 AP=1 AP=8 传统和高速铣削方法的比较