晶粒度等級對FV520B鍛件銑削性能的影響

摘 要：馬氏體沉淀硬化不銹鋼FV520B的鍛件晶粒度等級決定于鍛造的工藝和熱處理的保溫時間及溫度。此種材料的鍛件晶粒度等級對鍛件銑削性能有較大的影響。將鍛件的晶粒度級別控制在合理的范圍內，可使其獲得良好的銑削性能。

關鍵詞：晶粒度；鍛件；FV520B；銑削性

1 概述

FV520B是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，主要Cr的含量為13.00～14.50%，Ni的含量為5.0～6.0%，內部基體組織主要由馬氏體組成，含有沉淀硬化相。此材料具有強度高、硬度高，沖擊韌性好的特點。因此，被廣泛應用于汽輪機、壓縮機、渦輪增壓機的葉輪的設計制造中。如何降低銑削加工葉片的制造費用，并減少機床的使用時間，從而達到降低壓縮機生產制造成本的目的，成為大家研究的重點領域。隨著鍛件晶粒度等級的降低，材料的內部組織鍛造的均勻性越差，晶粒變大，使得葉輪葉片銑削加工難度越大。文章通過晶粒度為3-3.5級的鍛件與晶粒度為5級兩組葉輪的銑削過程進行對比研究，為FV520B作為葉輪鍛件，能夠達到基本的銑削性能，而要求的最低晶粒度等級提供了一定的依據。

2 項目背景

實際生產制造中，由于鍛造工藝、熱處理工藝的控制過程的差異，會使得最終葉輪鍛件的力學性能、晶粒度等級等發生變化。

目前，市場上常用FV520B鍛件的場合，基本拉伸指標在930MPa。而有些特殊要求的使用環境，要求葉輪鍛件抗拉指標大于1078MPa。如何得到保證力學性能，同時又擁有內部組織均勻的鍛件，成為鍛造工藝的問題點。對于我們葉輪制造企業來講，晶粒度等級大于幾級才能夠滿足我們的使用、制造的需求，成為研究的重點。

文章就通過晶粒度分別為3級、5級的鍛件進行銑削試驗，得出相關結論。

3 試驗條件及方法

文章采用晶粒度分別為3-3.5級、5級的兩種葉輪鍛件，在相同的夾裝方式、相同的刀具、相同的機床以及一定的切削參數條件下進行葉片銑削加工。通過對切削過程中各個加工參數的調整，分析材料中晶粒度變化對切削功率、刀具壽命、切削效率的影響。試驗之前的通用條件為：

（1）五根軸聯合運動數控銑床型號：MACHING CENTER C 40U，

是市場上常見的用于銑削葉片的哈默數控銑床。

（2）數控編程的切削方式：采用型面銑削的刀具軌跡控制方式。

（3）數控刀具：采用整體式硬質合金銑刀、機夾刀片刀具，兩者相結合。

（4）冷卻液：SF34A。

（5）工件尺寸：鍛件￠410mm×220mm（直徑×高），整體鍛造回司，見圖1。

（6）銑削工裝：夾裝、定位方式如圖2所示。

（7）FV520B鍛件的化學成分：C：≤0.07，Mn：≤1.00，Si：≤0.70，Cr：13.00～14.50，Ni：5.0～6.00，Mo：1.30～1.80，Cu：1.30～1.80，Nb：0.25～0.45，S：≤0.03，P：≤0.03。

（8）FV520B鍛件的力學性能：σb>1078MPa σs>1029MPa δ5>12% ψ>35% αk>55J/cm2 35～40HRC。

試驗過程中，兩組數據都是采用相同的刀具伸出量、相同的定位方式。在其它切削條件相同的情況下，按照表1、表2進行銑削試驗。每次試驗過程中，記錄刀具的壽命和切削時的效率。

其中，刀具的使用壽命是以刀具磨損或是刃口崩裂嚴重，已經不能再進行后續的切削，也已切不動工件為判斷依據的。而刀具的切削效率是包括兩方面：一是在相同切深時的，不同進給速度；二是不同的切深參數條件下的，不同的進給速度（相同的切深條件下，刀具切削環境相當惡劣，會出現嚴重的不正常刃口崩裂，故只能設置不相同的切深值進行后續的試驗）。

4 試驗結果及分析

4.1 切削力

在用相同刀具、相同的切削參數進行銑削，所需的機床的功率值如圖3所示。

由圖中的數據可見，在相同的切削條件下，晶粒度為3.5的葉輪鍛件切削功率高于晶粒度為5級的銑削功率，大約高出10%。而銑削功率是銑削力的表現，因此，由上述銑削功率的情況可知，在相同的銑削條件下，晶粒度等級為3.5級的FV520B鍛件在進行葉片銑削過程中，所需要的切削力比晶粒度5級的鍛件大。

在葉片銑削加工過程中，由于刀具與葉輪的高速相對運動所產生的劇烈摩擦，以及去除材料時產生較大切削力的作用，使得在工件表面層發生彈性、塑性變形，形成大量的結構變形熱；另外，刀具與工件、切屑接觸部位的相對運動也產生大量的摩擦熱，在銑削過程中消耗的機床的機械能的絕大部分轉化為切削熱能，并分別由葉輪、切屑、刀具及周圍介質（如冷卻液、空氣等）所帶走或散失。

由此可見，金屬的切削過程是一個復雜的能量轉換和刀具消耗過程。在銑削加工工藝設置及加工過程中，刀具的最初的幾何狀態，包括前角、主偏角以及刀尖圓弧半徑等，由于磨損會導致幾何參數變化，這些都會引起切削熱的傳導，最終導致摩擦力及切削力的改變；同時，工件材料的加工硬化、熱導率及脆性等特性也會直接影響到切削區域內的切削力。

FV520B鍛件在進行葉片銑削過程中，粗晶粒對比細晶粒的工件能更有效地阻止裂紋的擴展，其斷裂所需能量較多；除此之外，晶粒度為3.5級的鍛件的晶粒均勻性相對于晶粒度為5級的鍛件較低。因此，粗晶粒的銑削過程中，所消耗的比切削力和切削能大于晶粒較細的鍛件。晶粒度為3.5級的粗大晶粒，微觀組織會導致斷續切削。斷續切削特別容易產生刀具刃口崩裂，導致刀具與工件之間磨損加劇，使得切削力和切削溫度急劇升高，產生振動。故在一定切削功率條件下的切削中，細晶粒材料的進刀速率和單次切深高于粗晶粒的鍛件，有利于生產效率的提高。

在切削時，主要是刀具面對切削層產生擠壓，切削層發生滑移進而產生塑性變形。由于各個晶粒間不均勻的變形，導致晶粒之間產生拉伸應力。晶粒度等級低的金屬對各個方向變形的協調性差，金屬受到某個方向單向的拉伸應力會增加，這樣容易造成斷裂，并且切削力增大；隨晶粒晶粒度等級的提高和金屬的不均勻協調性提高，銑削力變小。

4.2 刀具壽命

在各自的切削條件下，分別對兩種不同晶粒度的葉輪鍛件進行葉片銑削加工，各個刀具的壽命平均值列于表1、表2。

由表中可見，在相同的切削參數、正常的切削環境下，晶粒度3.5級的材料所使用的刀具壽命明顯減少，大約是1/3倍。

刀具壽命一般用加工條件下刀具后面磨損到既定高度的切削時間來判斷，實驗室也通過定時測定刀具磨損量來比較刀具壽命，同時觀察刃口的狀況來評價刀具強韌性和耐磨性。從大量的使用信息可以表明，崩刃口是整體刀具失效的主要原因。晶粒度等級為3.5級、5級的鍛件所使用的整體硬質合金刀具刃口圖片如下：

從上圖可以看出，圖4刀具刃口保持完好，斷口刃帶清晰平整；而圖5刀具刃口崩刃，出現磨損更為嚴重。從不同材料的刃口形貌來看，5級晶粒度材料的刀具刃口崩缺情況較進口刀具輕微，磨損帶更平整，刃口形貌好于3級晶粒度材料刀具，說明5級晶粒度倒料的加工刀具使用時的耐用度高于5級晶粒度鍛件。

刀具在切削加工中，刃口的鋒利度會逐步降低，也將逐漸產生磨損加劇。當刀具磨損達到一定程度后，可以明顯地發現切削功率加大，切削溫度上升，切削顏色改變，甚至機床產生振動，已加工表面也明顯惡化，這時就要考慮更換刀具。

5 結束語

文章以晶粒度等級為3.5級、5級的FV520B葉輪鍛件為研究對象，結合五根軸聯合運動機床加工工件的特點，對比分析了兩種不同鍛件的銑削性能，得出了晶粒度等級3.5級的葉輪鍛件進行葉片銑削時，刀具使用壽命、加工效率都大大低于正常的5級晶粒度等級的葉輪。為后續葉輪FV520B鍛件的驗收和使用標準做出了有效的參考。

參考文獻

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作者簡介：郭維娟（1985-），工藝工程師，主要從事壓縮機工藝及制造工作。