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高镍合金的加工
作者:James Benes    来源:美国American Machinist 杂志
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那些不熟悉高镍材料特性的加工厂,在开始与这种合金打交道时,往往以沮丧告终。他们遇到的问题是刀具寿命短、成本高、表面光洁度差。

由于镍基超合金具有很高的强度、防腐性及耐高温性能,因此在许多航空和化学处理应用场合很受人们青睐。加工这种材料的工厂必须意识到,这种材料中提供优点的那些冶金性能反过来也使它们很难加工——当然不是不可能加工。本文介绍一些应对镍合金此类切削特质的方法和技巧。

加工硬化:罪魁祸首大部分加工钢或铸铁的加工厂都习惯采用高速,约1000英尺/分钟进行加工。在这么高的速度下,加工产生的热会软化切屑,因此刀具切削刃上的压力不会很高。但是,在切削镍基超合金时,情况不同,因为这种材料在高温下不会明显软化。这一点正是这种材料可以在高温下表现良好性能的缘故,诸如在喷气发动机热端。但是,由于这种材料不会因为切屑形成时产生高温而发生软化,因此在切削刃上会形成很高的压力。这样就可能引起刀刃因碎裂或变形而损坏。由于在形成切屑过程中,更强的材料产生更多的热且导热性较低,因此形成高切削温度。

Seco Tools(山高)的车削产品经理Don Graham对于成功加工镍基合金有下面一些建议。他说:“为了在切削超合金时降低温度和压力,切削速度通常要保持在200~250 英尺/分钟。超合金价格昂贵,一个喷气发动机或壳体的价格相对于100,000美元。因此,对于这种材料的加工,各个加工厂都很小心,这也是保持低切削速度的另一个原因。”

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镍基超合金在喷气发动机的热端大量使用

铬镍铁合金718,一种高温合金,其中含约53%的镍,是最常用的镍基材料。喷气发动机的热端有一半以上采用这种材料。另外许多独特的镍基材料,诸如沃斯帕洛伊合金、蒙乃尔合金、赫史特合金和Rene 95或Rene 88等在许多场合应用,并且比铬镍铁合金718还难加工。

这些镍基材料在加工时极易发生加工硬化,或时效硬化。例如,在加工第一刀后,起始硬度只有34 HRc的铬镍铁合金718工件在其表面几千分之一处硬度可能高达45 HRc。该硬化的表面层会导致在切削刃上产生所谓的切深线缺口。加工硬化还使得很难保持精度公差及零件表面的冶金完整性。被损坏的零件表面反过来会降低疲劳强度,这也是在加工超合金时保持刀片切削刃处于良好状态显得如此重要的原因之一。

随着因时效硬化而形成第二相粒子,合金变得不仅强度更高,同时耐磨性加大,从而更难加工。因此,最好在其较软的状态下加工这些合金。一般地,最好在接近精加工尺寸、刚铸造完、并经溶液处理过的状态下加工零件。在时效硬化后,只进行最终精加工操作,保证所需要的表面粗糙度,同时减少因高温产生变形的风险。

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刀尖通常用陶瓷刀具进行粗车,因为这种刀具切削速度高——最高能达到800英尺/分钟。通常它们还带有一个用于增强强度、经过倒角处理的切削刃;这种比较钝的切削刃会加工硬化材料,因此限制了它们在粗加工中的应用。由于陶瓷比较脆,因此在开始和退出切削时最好用一半的进给速度,以免损坏刀具。

但是,陶瓷刀具很不适合粗加工表面非常粗糙的工件,诸如带有参差不齐、粗糙表面的非圆铸件,加工时就可能使陶瓷刀具碎裂。在这些情况中,不带涂层的C2硬质合金(6%钴、94%碳化钨)是最佳选择,或者采用带TiAlN涂层的C2硬质合金在某些场合也非常好。

由于这是一种间歇性的切削过程,因此采用陶瓷刀具进行粗铣最好在干式状态下进行,否则,推荐采用冷却液。

Sandvik Coromant(山特维克可乐满)的航空业专家Sean Holt认为,刀片涂层的选择与具体应用场合有关。某些刀具厂家在圆刀片或45度接近角刀片上采用CVD涂层,因为这是一种比PVD涂层具有更好高温性能的厚涂层。但是,PVD涂层刀片可以更好地防止缺口形成。

对于半精加工或精加工,带有通过物理气相沉积(PVD)工艺涂敷的薄TiAlN涂层的硬质合金通常是受人们青睐的刀具。PVD涂层较薄,且光滑,它们在硬质合金上留下的剩余应力非常小,这样就可以阻止刀具碎裂和产生缺口。与CVD涂层相比,PVD涂层更接近刀具尖刃的轮廓,因此PVD涂层刀片的刀尖“天生”就比CVD涂层刀刃要坚韧。

细粒度硬质合金具有较高的硬度和耐磨性,同时还维持较高的韧性。某些厂家还在蓝色TiAlN上涂敷上一薄层金色TiN面层,用于帮助操作员识别出已经用过的刀片角。

最好采用前倾角为正角的刀片加工镍合金,因为这是一种自由切削几何结构,可以将切屑从工件上高效地剪切掉,以降低发热和表面加工硬化,同时正前角还可以减少切削瘤的形成。

Graham说 :“我们建议在半精加工和精加工过程中采用前角至少为正7-11度的刀片。对于那些切削量比较大的粗加工,采用中性或前角为0度的刀具。”

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山高Jetstream刀具的高压冷却液流可以将切屑冷却并破碎成小而易于掌控的碎片

表面粗糙度无缺陷非常重要,因为表面缺陷可能成为裂纹的发源地。要采用尖刀,因为钝刀可能损坏工件表面。此外,最好不要在精加工过程中对刀片分度,以免在引入新切削刃的地方在工件表面上留下机械误差或“痕迹”。

冷却液问题

在切削镍基材料时,采用高压、通孔冷却液很关键。用冷却液直接喷射到切削刃上可以延长刀具寿命和/或提高切削速度。Holt说:“在切削刃上直接喷射1000磅/平方英寸的高压冷却液,切削速度可以快20%,且刀具寿命与溢流冷却液的一样,或者在采用直接冷却液射流时,可以在速度相同的情况下保证刀具寿命增加50%。”

山高已经开发了高压‘射流’刀具技术,其中可以将冷却液直接喷射到切削刃/切屑接合面上,从而可以以高达300英尺/分钟的速度切割镍铬铁合金718。冷却液可以保护刀片的硬度和耐磨性。‘射流’冷却液帮助切屑从刀具表面弯曲离开,并对切屑进行冷却,使它更易断裂。此外,还针对‘射流’冷却特别开发了新型刀片。

除了速度更高以外,采用‘射流’冷却还形成了较小、只有1/8英寸的切屑。Graham说:“我们已经开发了几何造型复杂的切屑破碎结构,可以很好地用于其他材料,但是它们不如带有切屑槽几何结构、设计用于‘射流’技术、用于加工镍基超合金切屑的刀片那么好用。这样切屑处理成本大大降低,因为我们估计,切屑漏斗容纳‘射流’形成的紧凑切屑量将是传统、夹有大量空气的绳状长切屑的4-10倍。”

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山高的TS2000及TS2500具有很高的耐热和耐磨性能,开发用于车削耐高温的超合金及钛材。

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文章内容仅供参考 (投稿) (2009-11-3)
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