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。

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