隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷更新與提升，越來(lái)越多的難加工材料和復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用到新型發(fā)動(dòng)機(jī)上，這就對(duì)零件的工藝方法和加工能力提出了更高的要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)的難加工材料中，鎳基高溫合金有著舉足輕重的作用，如發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)、渦輪盤(pán)、承力環(huán)、機(jī)匣、緊固件、葉片等在高溫下長(zhǎng)期工作的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，都可以見(jiàn)到鎳基高溫合金的身影。5 q8 d/ K* b% b1 \& j
" A7 I- [+ B& a! T6 w% y
鎳基高溫合金的力學(xué)、抗氧化、抗高溫變形的性能很好，但是導(dǎo)熱系數(shù)低、材料塑性大和加工硬化等問(wèn)題常常制約著鎳基高溫合金的廣泛使用。所以分析和研究零件材料的切削性、刀具制作材料以及切削參數(shù)等現(xiàn)狀，對(duì)解決鎳基高溫合金難加工問(wèn)題有很大的幫助。
鎳基高溫合金及其切削加工性
高溫合金按基體元素可分為：鐵基、鎳基和鈷基高溫合金。按照制造工藝分為：變形（GH4169、GH4133、Inconel718等）、鑄造（K477、K421、Rene77等）、定向結(jié)晶（DZ4等）和粉末冶金（FGH97、FGH98等）高溫合金。鎳基高溫合金耐熱溫度高達(dá)950℃以上，具有良好的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)特性，具有抗氧化、耐腐蝕、抵抗高溫交變應(yīng)力的特性。鎳基高溫合金在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用（見(jiàn)表1）。
% L4 x ~! i5 f, z0 P4 T; q& T
盤(pán)軸、機(jī)匣和葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零件，在高溫工作區(qū)的部分都是采用鎳基高溫合金作為材料的。這些零件對(duì)配合表面尺寸、表面完整性和位置精度等技術(shù)指標(biāo)要求都很高，而且這幾種零件都屬于典型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、易變形的難加工零件。盤(pán)軸類(lèi)零件涉及到較多的車(chē)削工藝，機(jī)匣類(lèi)、葉片類(lèi)的零件涉及到較多的銑削工藝。盤(pán)件壁厚較小且不均勻，尺寸精度要求較高，外型面較復(fù)雜，不能沿圓周連續(xù)切削，在加工過(guò)程中零件變形明顯，需要多次進(jìn)行修整。* e. {! t$ C( l, { J
( {5 m1 O8 j; i! d$ w5 q
例如某盤(pán)件的外徑尺寸精度IT6~IT7，焊縫表面的配合精度高達(dá)IT4~IT5。垂直度為0.01~0.03mm，表面粗糙度Ra0.8μm。機(jī)匣零件剛性差且形狀復(fù)雜，加工過(guò)程零件及易變形。零件的尺寸精度、表面粗糙度，位置精度要求都很?chē)?yán)格。如某機(jī)匣零件表面粗糙度為1.6μm，薄壁端厚2.5mm，定位孔的尺寸公差0.015。某機(jī)匣毛坯加工余量大，單邊余量為20~30mm，大部分余量要通過(guò)銑削去除，刀具消耗量大。葉片零件外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)則、尺寸較多、加工時(shí)間長(zhǎng)，加工基準(zhǔn)需要反復(fù)地切換。某機(jī)葉片最薄處為0.18mm，零件的表面粗糙度為0.4μm。在加工過(guò)程中系統(tǒng)振顫大，讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重，零件的表面完整性差。
# j) H( e, O9 Z R1 N. F0 a0 R
刀具的選取
1 刀具材料的選取
7 j5 n9 L3 @, T
在航空用鎳基高溫合金的加工中，零件的尺寸精度和表面效果很大程度上取決于刀具的材料。根據(jù)鎳基高溫合金的特性，加工的刀具材料一般應(yīng)滿足以下要求。8 e& E& U4 V" W, E2 i
3 M* k* _; O6 f; U
? 穩(wěn)定性好、抗氧化、耐高溫、抗沖擊能力強(qiáng)。
? 硬度和耐磨性好。刀具材料硬度必須比零件材料的硬度高，一般都在HRC60以上。3 c$ O2 _, A5 t+ s, ~/ r! @. i
? 有足夠的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性。
? 耐熱性好, 在高溫下保持一定的強(qiáng)度和韌性以及抗黏結(jié)、擴(kuò)散的性能。% u4 q7 @( A; e6 Y; G. m' Q8 [
? 有良好的熱處理性能、可磨削性能、鍛造性能及高溫塑性變形性能。
（1）硬質(zhì)合金（Carbide）。
硬質(zhì)合金由難溶的金屬碳化物和起粘結(jié)作用的金屬燒結(jié)而成，具有高的強(qiáng)度和硬度。硬度達(dá)HRC69~81，整硬性在900~1000℃下可保持HRC60。細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料的開(kāi)發(fā)使硬質(zhì)合金刀具的強(qiáng)度和韌性顯著提高。圖1為硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金刀片車(chē)削加工實(shí)例。使用加壓燒結(jié)的涂層硬質(zhì)合金刀片，具有良好的抗朔性變形能力和韌性表層的梯度硬質(zhì)合金，從而提高了涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能和應(yīng)用范圍，使硬質(zhì)合金刀具進(jìn)入高速切削時(shí)代。硬質(zhì)合金刀具雖然有以上優(yōu)點(diǎn)，但是由于其脆性大、抗彎強(qiáng)度低、抗震能力差，故多用于車(chē)加工、沖擊較小的半精加工和精加工。粗加工鎳基高溫合金常用的材料牌號(hào)有YG8、YD15、YF06等，精加工有YD05、YG643M,而YS2T 牌號(hào)的合金適用于斷續(xù)切削。
圖1 硬質(zhì)合金刀片車(chē)削加工實(shí)例
( D) }- B3 u2 Q/ I& S
（2）陶瓷刀具（Ceramic）9 W/ U5 B+ v7 }! q' M
陶瓷刀具適合于高速切削，可提高切削速度3~5倍。陶瓷刀具的硬度可達(dá)到HRA93~95，可加工HRC65的高硬度材料。在1200℃的高溫下仍能保持良好的抗粘結(jié)性和化學(xué)穩(wěn)定性，且摩擦系數(shù)低于硬質(zhì)合金。陶瓷刀片如圖2所示。陶瓷刀具有良好的耐磨性和高溫穩(wěn)定性，但是由于抗沖擊韌性較差，所以要求被加工材料材質(zhì)均勻，切入角度正確，切削過(guò)程平穩(wěn)，最好不用于斷續(xù)切削。陶瓷刀具有氧化鋁基和氮化硅基兩大類(lèi)，當(dāng)切削鎳基高溫合金的刀具時(shí)，應(yīng)選用氮化硅的刀片，氧化鋁系列的陶瓷硬度雖然高，但是韌性和強(qiáng)度比較差。利用陶瓷刀具的高溫穩(wěn)定性，在被加工材料不發(fā)生相變的情況下，采取風(fēng)冷等干式切削所產(chǎn)生的切削熱去軟化被加工材料，使切削過(guò)程變得容易。陶瓷刀具加工高鎳基高溫合金時(shí)，其性能遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金刀具，不僅切削速度可以大幅提升，而且能更好地解決切削熱不易排出的問(wèn)題。例如當(dāng)切削速度在420m/min以上時(shí)，切屑成段狀表面氧化呈金黃色；當(dāng)線速度在700mm/min以上時(shí)，切削熱大部分由切屑帶走, 切屑氧化變色、松散發(fā)脆[1]。
! r- d( V# f+ m( Y* P) {0 M/ o圖2 陶瓷刀片
合理切削參數(shù)的選取! d( g; s0 d& @0 L3 s9 X5 o6 t
* s3 K! u3 ]5 ~% n' \
在已經(jīng)選擇好刀具材料和空間幾何角度的基礎(chǔ)上，合理選用切削參數(shù)可以達(dá)到提高效率、優(yōu)化加工效果的目的。目前用來(lái)衡量加工效果的指標(biāo)有：?jiǎn)渭庸こ杀尽⒓庸r(shí)間、表面粗糙度、零件尺寸精度等。切削用量對(duì)這幾項(xiàng)指標(biāo)的影響方向并不一致，通常選用的標(biāo)準(zhǔn)是在最低成本下獲得較高的效率，以期達(dá)到利益最大化。6 B9 M2 O5 H( K" _
1 切削深度的選擇4 L1 {6 h T) r3 M
在保證刀具耐用度、系統(tǒng)剛性、刀具強(qiáng)度的前提下，根據(jù)加工余量來(lái)確定切削深度。由車(chē)削的金屬去除率公式，刀具壽命模型公式可知，Q =Vcfnap（Q金屬去除率），（1）T =C1Vcxfnyapz（T為刀具壽命、C1為常數(shù)） 。（2）
$ ^/ V9 }2 s' p* U
金屬去除率Q與切深正相關(guān)，在刀具壽命的T 為定值的時(shí)候，提高切深比和進(jìn)給更有利。但是切深受機(jī)床的功率和剛性的影響，不能任意擴(kuò)大。在一般情況下，粗加工應(yīng)盡量去除多的余量，減少走刀次數(shù)，以獲得高的切除率。在精加工和半精加工時(shí)，用較小的加工余量可以減少零件的加工變形，獲得好的表面質(zhì)量和高的尺寸精度。在切削表層有硬皮的鍛件、鑄件毛坯或是冷作硬化程度較嚴(yán)重的材料時(shí)，應(yīng)避免刀具在硬皮或冷硬層上切削。6 k) U+ X2 h$ Y) _5 ~ c( L, u
1 F+ ~5 B+ W& V5 C; t
2 進(jìn)給量的選擇2 a' f1 b' u/ m
切削深度選定以后，可根據(jù)系統(tǒng)剛性、零件工藝狀態(tài)、刀具材料等因素，結(jié)合相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或刀具技術(shù)樣本給出切削深度。根據(jù)公式（1）可知，在粗加工時(shí)高的進(jìn)給可以提高切除率，但是由切削力模型公式（3）可知，較大的進(jìn)給量使切削力也同時(shí)增加，在選擇切深的同時(shí)還需要考慮系統(tǒng)剛性、刀具強(qiáng)度等方面。在半精加工和精加工時(shí)，根據(jù)公式（4）可知，要達(dá)到要求的表面粗糙度和精度，可適當(dāng)增大刀尖圓弧半徑，或是降低進(jìn)給。
F=C2Vcxfnyapz （F為切削力、C2為常數(shù)） ，（3）) l" a6 N) l4 x$ P9 h. t9 f
( m% R) U3 t; @( t; _! e3 ?* c5 b% ?
Rmax=1000fn2/8rε。 （4）
6 P# F. f/ u% K0 j8 M, l, N
3 切削速度的確定2 \ T( U4 A! ]" X- a
/ F: u* y3 }% \! _# c& S
當(dāng)切削速度與進(jìn)給量選定后，應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上再選最大的切削速度，速度受刀具壽命的影響最大，另外刀具的材料對(duì)切削速度也有影響。例如，涂層的硬質(zhì)合金刀具相對(duì)于普通的硬質(zhì)合金刀具，其切削速度可適當(dāng)?shù)奶嵘Ａ硗庀拗魄邢魉俣鹊囊蛩匾部赡苁菣C(jī)床功率。因此在一般情況下，可以先按刀具材料以及使用壽命確定出切削速度，然后再效驗(yàn)機(jī)床功率是否超載。表2、表3 是硬質(zhì)合金加工GH4169的例子。
1 c; T( m+ O+ z0 a" K
以鎳基高溫合金為代表的高性能難加工材料的切削問(wèn)題已經(jīng)成為制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造產(chǎn)業(yè)的瓶頸，對(duì)此，加快難加工材料關(guān)鍵切削技術(shù)的開(kāi)發(fā)和方案的研究成為了解決問(wèn)題的關(guān)鍵。以發(fā)達(dá)國(guó)家高速切削、綠色切削等技術(shù)為代表的新型加工理念對(duì)解決難加工材料問(wèn)題有很好的幫助和指導(dǎo)作用。0 z9 ~- F. w9 }! l9 d& E
1 高速切削
3 Q5 I- h0 m& [' u, \
高速切削技術(shù)特征主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。
（1）金屬切除率可以提高3~6倍，單位功率材料切除率可達(dá)130~160cm3/(min?kW)，生產(chǎn)效率大幅提高；
（2）切削力可降低15%~30%以上，尤其是徑向切削力大幅降低；" ~& ~& e; j; ^
（3）高速加工時(shí)機(jī)床的激振頻率特別高，遠(yuǎn)離“ 機(jī)床- 刀具- 工件”工藝的固有頻率，工作平穩(wěn)，工藝系統(tǒng)振動(dòng)小；
（4）95%~98%的切削熱被切屑帶走，切削溫度增加緩慢，工件溫升低，基本可以保持冷態(tài)加工，工件表面熱損傷小，適用于加工易變形的零件；
（5）由于加工振動(dòng)小切屑變薄，切削力和受力變形小，所以可以獲得良好的加工精度和表面質(zhì)量，加工表面質(zhì)量可以提高1~2級(jí)，可獲得相當(dāng)于磨削加工的表面粗糙度；
（6）允許進(jìn)給速度提高5~10倍，切削速度提高15%~20%, 可降低成本10%~15%, 高速切削可降低制造成本20%~40%[2]。
' Z0 v+ r$ } i& }3 \
高效切削并非只限于單純的提高切削速度和進(jìn)給速度，而是把提高切除率放在首位，目的是在單位時(shí)間內(nèi)盡可能多地去除被加工材料。實(shí)現(xiàn)高效加工的途徑主要有以下幾個(gè)方面。
7 C. q/ C- I9 Z/ c5 m8 k
（1）選擇高效的機(jī)床。主要是指高的主軸轉(zhuǎn)速、高的進(jìn)給系統(tǒng)、良好的剛性和抗震能力。- [( n$ I" n! w1 @/ E
（2）選擇高效的刀具。良好的耐磨性、高強(qiáng)度和韌性的刀具材料，優(yōu)良的刀具涂層技術(shù)，動(dòng)平衡技術(shù)。 g* a" R L" P4 [# P1 w
（3）合理安排工藝路線。合理地分配加工余量，應(yīng)該是根據(jù)機(jī)床和刀具進(jìn)行工藝路線的安排，來(lái)適應(yīng)高效加工。
（4）減少輔助時(shí)間。通過(guò)減少輔助時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)高效加工，利用復(fù)合刀具、夾具盡量減少輔助時(shí)間，或者合并不必要的工序。
2 綠色切削4 o" B4 P: e* i5 o# [
從現(xiàn)階段來(lái)看，綠色切削主要包括以下幾個(gè)方面。 c9 i9 f; E; \: g) D" S% m
) Q: S' d* ~9 n" O1 j1 d8 T8 g# S
（1）綠色刀具。主要是指在切削過(guò)程中，應(yīng)用具有良好導(dǎo)熱性、耐高溫、高硬度的刀具材料、涂層來(lái)適應(yīng)微量切削液或無(wú)切削液的狀態(tài)。
（2）少余量切削。精密鑄造、精密鍛造技術(shù)的應(yīng)用使零件的加工余量減少，從而降低了切削過(guò)程中刀具、能源、工裝的浪費(fèi)。& e" M% p; B& b' ~& D$ n; h5 k
（3）惰性氣體保護(hù)。國(guó)外車(chē)削氮化硅陶瓷的試驗(yàn)表明：在液氮冷卻條件下，刀具磨損可減小到1/4左右，零件表面粗糙度值可降低到原來(lái)的1/6。這種先進(jìn)的冷卻切削技術(shù)為鈦合金等難加工材料的綠色切削技術(shù)提供了新思路。2 \ A, @$ m2 k! [; C
( k" D) F2 w, z$ Q
（4）氣體射流冷卻。日本學(xué)者對(duì)此研究較多，其主要原理是通過(guò)一定壓力的氣體對(duì)加工區(qū)進(jìn)行冷卻和沖刷，以達(dá)到降溫和清除切削的目的。綠色切削主要以降低能源的浪費(fèi)，減少?gòu)U氣、廢渣、廢液的排放為目的。隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注以及可持續(xù)發(fā)展的要求，以減少污染為主的綠色切削必將成為未來(lái)的發(fā)展方向。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 趙秀芬，劉陽(yáng). 陶瓷刀具在轉(zhuǎn)包機(jī)匣鎳基高溫合金加工中的應(yīng)用. 新技術(shù)新工藝，2010(5): 63.
[2] 蔡光起，原所先. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[D]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2002.