高温合金孔加工技术探讨

1.高温合金材料及其切削加工性

随着科学技术和人类文明进步的需要,机械产品高性能、多功能、高质量要求十分强烈,产品结构要求也更加紧凑,零件尺寸向微细化发展。为满足上述要求,具有高硬度、高韧性和高耐磨性的难加工材料在产品中使用得越来越多。

以发电设备为例,汽轮机从30万普通机组到超超临界100万以及燃机等大功率高参数设备,耐高温、耐磨、耐酸的零部件材料采用镍基高温合金或其它难加工材料的比例正在快速增加。据不完全统计,十余年前企业以常规机组为主导产品时,所涉及的高温合金等难加工材料仅GH132等极少数的零件材料。而目前,因火电、气电、核电、风电等新产品的特殊要求,高强度不锈钢、抗低温脆性金属、高温耐热合金等十余种材料给切削加工带来了很大难题,其中高温合金就有近十个牌号,所涉及零件有十余种。这里只就镍基高温合金孔加工问题进行技术探讨。

与一般钢材相比,高温合金的切削加工难点主要表现在以下几个方面:

(1)加工硬化倾向大。比如GH4169未强化处理的基体硬度约HRC37,切削后表面产生0.03毫米左右的硬化层,硬度增加到HRC47左右,硬化程度高达27%。加工硬化现象对刀具寿命有很大影响,通常会产生严重的边界磨损。

(2)切削力大。高温合金强度比汽轮机常用合金钢材料高30%以上,在600℃以上的切削温度下,镍基高温合金材料的强度仍高于普通合金钢材料。未强化处理的高温合金单位切削力在4000N/mm2以上,而普通合金钢仅2500N/mm2。

(3)材料导热性差。切削高温合金时产生的大量切削热由刀具承受,刀尖承受了高达800～1000℃的切削温度,在高温和大切削力作用下,将导致切削刃产生塑性变形、粘结与扩散磨损。

(4)镍基合金主要成份为镍和铬,另外还添加有少量其它元素:钼、钽、铌、钨等,值得注意的是,钽、铌、钨等也是用来制造硬质合金(或高速钢)刀具的主要成分,用这些刀具加工高温合金会产生扩散磨损和磨料磨损。

2.孔加工的一般特点

孔加工是切削加工中难度较大的加工方式,属半封闭式加工。特别是实心钻孔时,切削热极易滞留在切削刃附近,切削热和切屑的及时排出很困难,这是影响刀具寿命的关键所在,必须给以足够的关注。

镗孔和扩孔加工是在有预钻孔条件下切削,与车削加工状态相似,但刀杆系统刚性随孔的深径比增加而呈三次方递减,通常镗孔和扩孔的刀杆系统刚性比车削和铣削条件低得多。为了保证孔加工精度、改善排屑条件,刀刃结构、刀杆直径和刀杆强度必须给予合理匹配。

3.高温合金孔加工技术难点

相对于一般钢材切削加工,切削高温合金的刀具寿命要低50%以上,加工效率很低,加工成本也高得多。高温合金孔加工主要难点是:

(1)切削力大,消耗机床功率大。比如,采用某进口品牌的φ68机夹扁钻在GH901上进行实心钻孔,功率消耗大于30KW,而用相当直径的机夹复合钻在15CrMo汽缸中分面上钻孔功率消耗低于10KW。

(2)孔加工是半封闭的切削,产生的高切削热和断屑困难的切屑难以及时排出远离刀尖,刀具磨损更为剧烈。例如,在采用普通麻花钻钻削GH901时按普通材料切削用量加工,仅几分钟,刀尖就呈现出蓝色表面的烧伤现象。

(3)用普通的钻削方法难以保证高温合金孔的精度要求。其原因是钻削轴向力大,用摇臂钻床等系统刚性较差的设备加工,钻头等刀具易产生较大的弯曲,导致钻孔偏斜,影响钻孔精度。例如,用普通麻花钻加工GH901阀杆φ14.5径向孔时,钻头在较大的钻削力作用下,发生弯曲,刀刃磨损极快,无法正常切削；改为镗床钻孔,在其它切削条件不变的情况下,顺利地完成了钻孔任务。

(4)高温合金孔加工中,刀具磨损比加工普通钢材快得多,且需要切削性能更好的刀具材料。据研究资料统计,加工高温合金的刀具费用是一般钢材的5～10倍。

4.高温合金孔加工刀具材料

可用于高温合金加工的刀具材料主要有CBN、陶瓷、硬质合金及高速钢。

中小型孔钻削加工的刀具材料推荐使用以超细晶粒合金作基体的新型涂层(如TiAlN、TiZrN)硬质合金,这种材料具有优异的耐磨性和很低的摩擦系数,是目前难加工材料切削最常用的刀具材料。如国内外一些刀具专业厂生产的整体硬质合金钻头及可转位镗刀大量使用了该项技术。

在高温合金钻、扩、铰加工中,仍然大量使用高速钢材料。高速钢刀具材料的韧性比硬质合金高得多,对机床精度和系统刚性要求没有硬质合金刀具高,因此在大中型孔的钻削加工中更有优势。

5.高温合金实心钻孔

(1)钻头基本结构及要求:对镍基高温合金类难加工材料进行实心钻削加工时,常用刀具有整体钻头、机夹钻。机夹钻包括机夹深孔钻(如机夹扁钻、可转位深孔钻)和可转位浅孔钻(用于加工长径比小于5的实心孔)。整体钻头包括硬质合金钻头和高速钢钻头,φ20以下的孔推荐使用整体硬质合金钻。使用整体硬质合金钻要求机床有足够的进给精度、回转精度和刚性。普通镗铣床及钻床主轴跳动一般超过0.05毫米,不能满足硬质合金钻头使用要求。钻头应优先采用公差等级H6圆柱柄,并用精密强力夹头或液压夹头装夹,以提高刀具系统精度。

关于整体硬质合金钻头(以及焊接硬质合金钻)的刃磨,要求有数控刀具磨床及相关修磨软件,如果企业没有修磨条件,可以优先推荐使用高速钢钻头加工高温合金。

钻削高温合金,要求钻头有更好精度,据有关资料介绍,一些航空航天加工厂钻削这类材料时要求其钻尖径向跳动不大于0.02毫米。钻头的关键还是钻尖的结构,包括锋角、横刃宽度、前角以及钻尖的对称性。

增大锋角可减少刃屑接触长度,降低切削热,改善钻头切削条件。高温合金钻头的锋角推荐135°～140°。

钻头横刃对钻削性能有非常大的影响,一般情况下,横刃处的钻削力可占整个钻头切削力的60%左右,如果不对横刃进行适当的修磨处理,在钻削高温合金材料时,钻尖很快就会磨损烧伤。S形(国内叫十字形)修磨,就是为了加大横刃处前角,减少横刃的长度。未经修磨过的钻头,横刃处前角为-30°左右,经“十字修磨”后横刃处前角大于-15°。这是降低钻头扭矩和切削热的有效途径,这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。国内外开发的许多新型钻头产品,其横刃均有此特点。

钻削高温合金孔的钻尖要有足够的对称性,这是控制孔尺寸和位置精度的必要条件。采用机磨是控制钻头锋角、横刃对称性的最好办法。

(2)钻孔冷却方式:为了便于排屑,市场上推出了内冷孔钻头,可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等,使排屑变得更为顺畅,这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。但该钻头要求机床具有内冷系统,或者有外冷转内冷机构。同时,该类钻头的刀具成本高,而且刀具修磨一般要求在刀具刃磨中心上重磨。

在一般情况下,钻削可以采用外冷方式。加工高温合金有效的冷却是必不可少的,水基切削液是冷却效果最好的切削液。为了改善实心钻孔的冷却条件,喷液嘴应尽量接近钻头入口处,并与钻头轴线夹角小于30°,喷液方向尽量与钻头螺旋沟槽方向一致。

(3)高速钢麻花钻:高速钢麻花钻是低速加工高温合金的传统刀具,其优点是容易手工修磨,刀具材料韧性好,对机床的要求相对较低。下面是用高速钢麻花钻加工高温合金孔的实例:

工件材料:GH901；机床:数控落地镗床TK6513,机床功率30KW；钻头:普通HSS麻花钻,锋角140°,横刃修磨要窄0.2mm；钻头尺寸:φ12.3×80；切削用量:Vc=3.864m/min,fn=0.06mm/r；冷却条件:外冷,马斯特水基切削液,每钻进3mm立即退刀,防止钻刃空转与孔底反复挤压磨擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度,钻尖全部退出,其目的是对钻头及孔内进行冷却,提高切削液冷却效果,改善排屑条件。一个孔加工时间:17分钟；刀具磨损:锋刃有较轻微的磨损；加工效果:孔的直线度、表面粗糙度均达到了预钻孔要求

(4)可转位浅孔钻

可转位浅孔钻是带可转位硬质合金刀片的高效钻孔刀具,其钻孔效率是普通钻头的4倍以上。东汽最早在贝拉尔蒂数控镗床上用于加工普通钢材料法兰面螺栓孔,目前已在常用钢材加工中广泛使用。通过试验该钻头也能用于高温合金阀杆的钻削加工,但要求刀具有如下结构特点:①刀片要有较锋利的切削刃,以降低钻削力；②刀片断屑槽要合理,减少切屑的过分卷曲变形带来的大量切削热；③根据机床功率选用合适的刀具直径；④选择合适的刀具长径比,尽量增加刀具系统刚性。

现以高温合金轴类零件φ71×240径向孔加工为例进行分析。

①浅孔钻的选择:与整体钻和硬质合金焊接钻相比,浅孔钻的切削力较大,在选择时要考虑系统刚性和机床功率等基础问题。为了满足高温合金对钻头的要求,首先选择刚性较好的3倍径浅孔钻。另外经试验,钻头直径选择φ68时,切削消耗功率接近TK6513数控落地镗床的额定功率30KW。为此,结合现有资源,选择了φ58的浅孔钻。具体规格如下:钻头规格:φ58×174；刀片型号:P28479-7WAP35

②切削用量的选择:如前所述,高温合金材料的切削加工性很差,在加工中的切削用量要比加工普通材料低得多,如在车削GH901阀杆时切削用量仅为Vc=25m/min,fn=0.15mm/r,ap=2mm。而高温合金实心孔的钻削难度更是高于一般车削加工。另外,实心钻削加工刀具排屑空间很有限,还需要考虑排屑的状态。试验表明,“C”型屑有利于排屑,较合理的切削用量如下(钻头半径为29mm):Vc≤20m/min,fn=0.1mm/r。

③钻削方法:因机床无内冷系统,切屑无法及时排出。为克服该问题,减少切屑对刀具寿命的影响,同麻花钻钻孔情况相同,需采用间隙进给方式,即每钻5毫米深度立即退刀,以防止钻刃空转与孔底反复挤压磨擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度,钻尖要全部退出,其目的是对钻头及孔内进行冷却,提高切削液冷却效果,改善排屑条件。

因钻头有效钻削深度不够,加工中采用了分头钻削方式,即先从一端钻至钻头工作深度,再调头从另一端钻削接通。

④柱面钻孔前要求:在圆柱面上直接钻径向孔,与在斜面上钻孔一样,会使钻头偏斜,影响孔的位置和尺寸精度。因此在钻孔前必须首先用大于钻头直径80%、小于孔最终直径的铣刀铣削出一个平面,保证钻头轴线垂直于被钻孔表面。浅孔钻就不会偏斜中心,以保证钻出的底孔位置正确。

6.镗孔加工

孔的精加工一般用铰孔和镗孔两种方法,铰孔是效率更高的工艺方法,但铰刀通常是定尺寸刀具(即使是可调铰刀也只能微调孔尺寸),只能对孔的形状和尺寸准确控制,无法修正孔的位置误差。一把镗刀可满足较大尺寸范围内准确尺寸的控制,不仅能控制孔的形状尺寸精度,对孔的位置精度更有铰削加工不能替代的作用。

(1)刀片的选择

加工中选用了URMA镗刀系统。该镗刀采用了国际标准系列刀片,其优点是便于根据加工材料特点更广泛地选择可转位镗刀片。镗刀片型号如下:粗镗刀片与车间现有精车刀片型号相同:CNMG1204；精镗刀片:CCMT09T3,CCMT06。

在选择镗刀片时,刀尖半径是必须考虑的几何参数,因为刀尖半径影响了切削力的大小。一般车削加工的刀尖圆角半径为0.8毫米,对于镗加工,刀具系统刚性的限制,通常刀尖圆角半径为0.4毫米左右,精镗时甚至推荐0.2毫米的刀尖圆角半径。

以上型号刀片我们可以在国内外许多专业厂样本中寻找,这给我们选择更适合加工高温合金镗刀片带来了很大的方便。最早用该镗刀系统粗精镗高温合金GH901材料时,使用了镗刀系统自配刀片,这些刀片适合加工普通钢,根本不能满足镗孔要求,刀具寿命很短。为此,根据车间现有条件,结合高温合金车削和铣削加工经验,为URMA镗刀系统选择了多家专业厂生产的标准精镗刀片,代表材料有TT5030、S05F等涂层硬质合金。经试验所选刀片更适合高温合金的镗削加工,以CNMG120408-MP、CCMT09T302-FA两种型号刀片为例

(2)粗镗孔

①切削用量选择:粗镗孔常用可转位双刃镗刀,所用刀片CNMG120408-MP。在镗孔加工中,排屑是重要的环节,连续的带状切屑会缠绕刀尖,并影响表面加工质量,排屑效果差,对刀具寿命和加工面质量有较大的影响。过短的切屑说明切屑卷曲严重,产生切削热增加,切削过程平稳性较差。在选定刀片后切削用量与加工件余量和刀片断屑槽型有关,粗镗刀的刀片槽型为NP,理想的断屑条件是:ap=1～4mm,f=0.10～0.4mm/r。对于高温合金镗孔,一定要有足够的水基切削液作冷却,尽量使切削液接近刀刃切削区。如没有内冷系统,镗削高温合金孔的切削用量应取下限:Vc=16m/min,ap=2mm,f=0.1mm/r。

从钻孔尺寸φ58至最终孔尺寸φ71,最后留精镗余量0.05毫米,单边余量共6.45毫米,因此,需走4刀完成粗镗加工,余量分配如下:φ62→φ66→φ70→φ70.9。

该孔长径比为3.5,但所用镗刀系统的接长杆直径φ50,刀杆总长尺寸250毫米,长径比为5,为提高精镗前孔的尺寸和形位精度,最后一刀为半精镗,其目的是校准前面工序加工误差。②边界磨损及对策:切削高温合金时,切削区的切削温度很高,特别是在与空气接触的过渡切削刃处,刀具材料与空气中的氧、氮、氢等活性元素发生反应,过渡切削刃部分产生裂纹剥落或崩刃,这种磨损形式被称为边界磨损。在高温合金的切削加工中,边界磨损是最常见的磨损形式。

减少边界磨损的基本方法有两种,一是采用小的刀具主偏角,二是采用变切深加工方法。但小的主偏角会增大镗刀杆的弯曲变形,因此变切深加工是改善镗孔加工硬化现象对刀具影响的最有效手段。变切深加工,是指所选切深要与上次的切深不相同,使刀刃与工件切削面的接触区产生变化,以改善切削边界接触状态。在数控加工中,可通过连续改变刀具切深,在一次走刀中实现变切深加工方法,更有效地缓解刀具的边界磨损,该方法要求镗床有径向控制刀尖移动的功能。相比而言,第一种方法便于操作。

(3)精镗孔

精镗内孔最关键的是镗削过程的安全性,需要一刀切过,孔的各项参数达到质量要求。主要注意的是两个方面问题,一是保持稳定的切削排屑过程,二是确保刀具寿命满足孔的切削长度。

注意保持足够的切削液以辅助排屑和提高刀具寿命。一般要求较小的切削深度,并形成稳定连续的细螺旋屑,这样可提高精镗孔过程的可靠性,保持稳定的切削过程。对于高温合金精镗孔,切削用量需取低值。高温合金车、铣加工经验告诉我们硬质合金刀具寿命通常是切削合金钢时的50%以内,刀具寿命一般在30分钟左右。为此在选择切削用量后,应验算刀具能否一刀完成至少一个孔的精镗加工。

根据所选硬质合金精镗刀片CCMT09T302-FA结构特点,可查出该刀片的合理切削用量范围。最终确定如下切削用量:Vc=22m/min,ap=0.05mm,f=0.1mm/r。按上述切削用量,一个孔的切削时间在25分钟以内。而且孔的加工质量完全达到了图纸技术要求:孔的精度0.02以内,表面粗糙度Ra1.6以内。

(4)刀具预调

在数控加工中,刀具系统通常需要机外调刀——刀具预调,其目的是减少数控机床的停机时间,增加机床运行效率。旋转刀具预调包括刀具系统的工作长度和刀具直径两个参数。对于粗镗刀可直接将刀具参数调至所需尺寸。在切削力的作用下,镗刀系统将产生弹性弯曲变形,即所谓让刀。粗镗让刀对加工尺寸影响很小,预调可不考虑所产生的影响。但在预调精镗刀时,必须充分考虑让刀对刀具预调尺寸的影响。镗孔时让刀量的大小与材料性能、切削用量,系统刚性等因素有关,我们很难定量判定精镗孔时的让刀量。

解决让刀影响有效办法是预调加试切法对刀。首先将镗刀预调至比孔最终尺寸小0.05毫米,比如加工孔径最终尺寸为φ71±0.02,可预调至φ70.95,先进行试切,检测试切孔实际尺寸与孔公差带中间值的差值δ,在刀具、工件装夹系统不变的前提下,将精密微调镗刀调整一个δ,再进行试切直到满足孔最终尺寸要求。如需要更直观的观查调尺寸,可在刀尖沿刀具直径方向上装百分表(或千分表)作为辅助检测。

7.结束语

高温合金的切削加工性远远低于普通合金钢,其刀具成本和其它加工成本有较大增加。但使用高温合金材料大大提高了产品运行效能,也大幅增加了产品的附加值,这才是我们更要关注的。在加工高温合金等难加工材料时,只要正确认识其切削加工性,合理选择刀具结构和切削参数,就能最大限度地降低刀具成本,提高加工效率。高温合金孔加工主要应注意以下几点:①无论是钻削还是镗削,机床运动精度及工艺系统刚性应尽量高。②刀具的装夹应选用高精度的刀柄夹头,如精密强力夹头、液压夹头。③切削用量要选择合理,一是通过切削用量控制切屑形状,方便排屑,二是注意刀具寿命满足孔加工长度要求。④实心钻孔采用外冷方式时,为改善冷却和排屑效果,采用间隙进给方式,即每钻几毫米深度立即退刀,以防止钻刃空转与孔底反复挤压摩擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度,钻尖要全部退出,其目的是对钻头及孔内进行冷却,提高切削液冷却效果,改善排屑条件。⑤孔加工关键问题除排屑外,还需很好解决高的切削温度,加工高温合金更是如此。充分有效的冷却是不可缺少的手段,首选水基切削液冷却。⑥选用镗刀片时要求切削刃有大的前角,保持切削刃强度的前提下切削刃尽量锋利。⑦卷屑槽型和刀具刃磨角度要合理,孔的粗加工要求切屑为小的“C”型屑,改善排屑效果,精镗要求切屑呈短螺旋屑,保持镗削过程平稳。⑧粗镗时可采用变切深切削方法,能减少刀具的边界磨损,延长刀具寿命。

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