高温合金的高速经济性车削技巧

　　在车间车削具有高强度高韧性的高温合金零件，如果仅只是劳动力的输出，那还算得上是一件很好的工作，如果刀具再能较长时间的不需要进行更换等，那就更叫操作者欣喜。

　　Slabe机械公司(位于俄亥俄州的Willoughby)是一个多年来就以专门从事某些合金，如：Inconels、Waspalloys，以及其它高韧性金属等难加工材料零件加工而箸名的公司。其主要原因是他们已经熟练地掌握了最让操作者头疼的难加工材料的车削技巧，使用由他们选择或改进的刀具，可在加工中提高使用寿命，同时提高切削速度、节省加工时间。据有关部门统计表明，最近以来，他们仅在车削加工的费用方面，每年节约出7万多美元，极大地提高了该公司在激烈国际市场的竞争力。

　　公司现有100多个雇员和350台机床，产品的加工与装配都通过ISO 9001：2000和AS 9100认证。主要产品是面向航空航天用涡轮发动机、液压伺服阀和其它医疗器械等精密加工市场。

　　找出最佳解决方案

　　“各金属加工车间，为实现高速切削，努力寻找耐用度高的切削刀具，这已经是一种普遍现象。然而来自Slabe机械公司的经验表明，事实并非如此，普遍的规律却不适用于对高温合金的加工，”Ingersoll刀具公司 Jeff Hogya先生(以前也是Slabe公司的雇员)说，“当你在为车削高强度高韧性材料选购刀具时，千万不要让许多厂商说的能延长多少使用寿命的刀具搞得眼花缭乱，而忘记刀具的最大成本是用以提高切削速度，提高材料切除率的。因为提高材料切除率远比较长的刀具寿命使你获得更大的经济效益。”

　　以前，Hogya先生作为一名Slabe公司的刀具工程师，曾被授权完成一项有关市场策划方面的课题，即为公司现场生产的100种高温合金零件的高效率生产，制订出最佳的解决方案。在长达8个月的时间内，他调研了几乎所有可供使用刀具的使用情况。然后进行严格挑选，并将选择好的刀具，用来对承接零件中生产数量最大的五种零件车削的全过程，进行了深入细致切削试验研究，最后圆满完成任务。

　　经过大量切削试验研究表明，切削中使用由Ingresoll 刀具公司(在伊斯诺斯州的Rockford市)生产的 TaeguTurn新型刀具，经对其各项要求指标的测试都数最好。其中，可比规定的基准刀具提高50%到最高达6倍的使用寿命。“在评估程序中，规定的售后服务一项，Ingresoll 刀具公司也是最出色的。”Hogya先生说，“其它几家刀具提供厂商，有的只发贷给我们，有的放下贷就走人，而只有Ingresoll 刀具公司专门派出一名工程师协助我们的试验研究，帮了不少的忙。

　　试验结果

　　以下是Hogya先生等人对五种零件进行切削试验研究的结果：选择175 sfpm的切削速度和0.008 ipr的进给速度。使刀具的使用寿命从原来只能加工2个增加到 12个零件。后来将切削速度提高到185 sfpm，进给速度提高到0.009 ipr，则刀具的使用寿命为能加工10个零件，比原来提高5倍。生产效率提高12%。

　　加工由Inconel 718 材料制成的制动手柄。零件长2.180英寸，选择165 sfpm 的切削速度和0.007 ipr的进给速度。使刀具的使用寿命从原来只能加工7个增加到 27个零件。后将切削速度提高到175 sfpm，进给速度提高到0.008 ipr，则刀具的使用寿命为能加工25个零件。生产效率提高13%。

　　加工由Waspalloy材料制成的大径螺栓。零件长1.560英寸，刀具使用寿命，在两种情况下得到提高。粗加工时，选择155 sfpm 的切削速度和0.0065 ipr的进给速度。使刀具的使用寿命从15个提高到能加工24个零件。精加工时，选择165 sfpm 的切削速度和0.003 ipr的进给速度。使刀具的使用寿命从15个提高到能加工50个零件。在这种情况中，切削速度不能再提高，因为它是在双主轴车床上加工，加工时间取决于两个主轴的配合使用情况。

　　加工由Inconel 718制成的涡轮机零件。零件长3.280英寸，粗加工选择165 sfpm 的切削速度和0.008 ipr的进给速度。切削深度选择0.060英寸。使刀具的使用寿命从6个提高到能加工10个零件。精加工时，开始选择165 sfpm 的切削速度和0.002 ipr的进给速度。后来改为选择180 sfpm 的切削速度和0.003 ipr的进给速度，切削深度0.008英寸。使生产效率提高60%.最大的生产效率提高，主要来源于加工时间和刀具交换次数的减少。  加工由Inconel 718制成的销钉。零件长0.625英寸，在Marubeni Citizen M32 瑞士车床上进行湿式切削。每个切削刃从加工10个零件到能加工45个零件。这种机床的获利是很重要的。因为每次换刀需化去5分钟时间。  随着新型刀具在更多高温合金零件车削中广泛使用，能平均增加刀具使用寿命的2 倍。现在Slabe公司已有100多种不同的难加工材料的零件在进行加工，每年能节约加工费用7万多美元。

　　较广应用换来更大节约

　　经评估计算，Slabe公司对以上五种零件进行的改进加工，每年可为公司节省3.3万美元的加工费用。

　　这是一个数学问题，在节省的3.3万美元加工费用中，只有约1万美元是刀具本身消耗的费用。 大部分的节约是来自切削速度的提高，因而使切除率、生产效率提高带来好的经济效益。

　　在以上切削试验中作出重大贡献的是TaeguTurn 5030刀片，它是一个具有六个切削刃的双面三角形刀片。它主要从以下三个方面使其提高了刀具的使用寿命：

　　刀片由亚微细晶粒的硬质合金材料制成，在高硬度基础上大大提高了刀具韧性。

　　为使刀具在切削中降低切削力，和能进行最大限度的自由切削 ，将刀具设计成正前角几何形状。

　　将刀具表面涂覆了一层可比TiN涂覆层更能提高刀具耐用度和润滑性能的TiAlN涂层。

　　以往刀具的失效原因，主要由于加工高温合金，容易使刀具产生严重的后刀面磨损和月牙洼磨损。一般判断刀具磨损标准是通过检查后刀面磨损量、月牙洼深度和加工中零件的尺寸变化。“加工象高温合金一样昂贵材料的零件时，尽量地早换刀比晚换刀好。”公司工具工程师Larry Blankenship说。

　　继续改进

　　正当Slabe公司正全神贯注地进行切削试验时，Ingersoll刀具公司销售人员又一次出现， Hogya先生就又欣然接受了他们提供的多种产品。因为他曾被Ingersoll刀具公司新开发刀具的高切削性能所震撼，被他们热诚的售后服务态度所感动。因为他在来Slabe公司之前就是一个刀具销售代表。

　　致使Hogya先生向Slabe公司呼吁，应立即实施更大范围的改进计划，才能得到更大的发展。公司采纳了他的建议，对公司现有加工能力，给以更进一步改进。现在越来越多的零件加工，使用了TaeguTurn刀具，改变了过去的主要看重刀具使用寿命的旧观念，改进成自始至终保证在高切削速度条件下切削的实际行动。

　　最终目的不能变

　　高温合金尽管由于强度高韧性好而难以加工，但它在经济关系上，与车削钢件或铝合金零件加工完全相同，公司介绍。改进刀具的最终目的是使每班加工零件数量得以增加。而延长刀具的使用寿命只作为获得最终目的基础。

　　了解更多

　　随着硬度合金刀具材料和刀具表面涂覆新技术的不断涌现，促使高温合金车削技术得以迅猛发展，其发展速度，比人们想象的要快得多，Ingersoll车削刀具产品市场经理Ed Woksa说。其主要原因是，第一，专门为切削Inconels合金、Waspalloys合金和钛合金等难加工材料的车削加工，设计了散热性好和能极大地降低切削力的刀具几何形状。多年前，人们在开始车削难加工材料时，将刀具磨得很锋利，其用意是想在切削中增加刀具的剪切作用而减小挤压作用，但由于刚性差，容易引起切削刃破裂。第二，新设计了能提高使用寿命，并能进行高速加工的刀具。

　　“这些难加工材料的切削，与切削普通钢件相比，需要消耗更多的能量，在包括刀头在内的切削区产生很高的切削温度，”Woksa先生解释说，“所以需要使用能降低切削温度和耐高温的刀具。”

　　据介绍，使用以上先进刀具和选择合理的切削参数车削高温合金，可比使用普通刀具提高50-80 %的切削速度和5-6倍以上地提高刀具使用寿命(这些指标比竞争对手高出20%)。

　　其中的一个最典型的例子，是使用由Ingersoll公司开发的，经精密磨削的TaeguTurn TT5030刀片，在进行车削高温合金车削时，所表现出的以下三个主要特点：  晶粒的亚微细组织。刀具选用亚微细晶粒的硬质合金刀片，具有高的硬度和好的韧性，所以能承受高温合金车削中产生的很高切削温度，和很大切削力作用下产生的零件变形。还具有较高的防止刀具变脆的横向断裂强度。

　　周边磨削刀片。对双面三角形TT5030刀片的周边和外形进行磨削，能使刀具产生出金相组织最均匀、表面粗糙度好和锋利的切削刃。使刀具能在很大的剪切力作用下进行切削 ，较好地减小使切削力增大和切削温度升高的摩擦力。经周边磨削的切削刃，可保留一个仅有0.0005 英寸宽的刃带，为普通只经压制的刀片切削刃刃带宽度的三分之一到五分之一，所以能产生出较为理想的表面粗糙度，这一点对于最多选用高温合金材料制造的航空航天和医学工业用零件是相当重要的。

　　表面涂覆TiAlN。经过PVD涂覆工艺，能在刀具表面涂覆一层很薄的TiAlN涂覆层，所以特别适用于对锋利切削刃的涂覆。这一特点对于高温合金的加工尤其重要。

　　它能使用锋利的切削刃切削，同时提高刀具使用寿命。其原因是采取PVD涂覆工艺，能给刀具切削刃表面提供一个可防止以往高温合金切削中最容易产生裂纹的压应力，而没有减少刀具韧性。这是因为它没有以往CVD涂覆工艺要求那么高的涂覆时需要的高温，所以它能提供一个密度高、金相组织均匀的涂覆表面，极好地延长了刀具的使用寿命。

　　还有一个原来使用 CVD涂覆刀具的用户,现在使用TT5030刀片，加工钛合金零件，使用户从160提高到350 sfpm的切削速度，从0.008 ipm到0.010 ipm地增加进给速度。切削深度为0.150英寸，在湿式切削中，提高3倍以上的刀具使用寿命。使加工周期由原来的5周减少到2周。

　　另一个早期用户也使用TT5030刀片，选择200 sfpm的切削速度、0.010 ipm进给速度和0.200英寸的切削深度。加工由 Inconel 625材料制成的飞机的燃气缸零件，使刀具使用寿命提高了2.5倍。所以许多公司都企图将 TT5030刀片，用于在较高切削速度下，加工自已的包括难加工材料在内的产品零件。

　　“我们在加工高温合金，尤其是在加工各种不同的高温合金，最容易犯的一个重要错误是企图使用加工一般材料的刀具和方法加工不同的高温合金零件。”Woksa先生说。 当你为车间加工高温合金选择刀具时，应该在许多刀具中，选择亚微细晶粒组织的硬质合金刀具，并作好经过手工研磨修锐刀刃的准备工作，使其能在高温、大切削力条件下切削，而且不产生切削刃崩裂。并应在刀具表面 PVD涂覆一层TiAlN，以提高刀具使用寿命。

　　“最后，当你已经使刀具的使用寿命得到提高时，请一定只把它作为一种手段和将它及时地转变到提高切削速度上去，”Woksa先生说，“其真正的收获应最终落实在每班下来，产品箱里加工好的零件数量，而不只是刀具每个切削刃能加工零件的数量。”

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