鎳硅合金細長軸車削加工技術研究

楊少勇

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550008)

1 引言

高溫合金又稱耐熱合金或熱強合金，它是多組元的復雜合金，以鐵、鎳、鈷、鈦等為基，能在600～1000℃的高溫氧化環境及燃氣腐蝕條件下工作，而且還可以在一定應力作用下長期工作，具有優良的熱強性能、熱穩定性能和熱疲勞性能。

不過，高溫合金屬于典型的難切削材料，硬度高于250HBS、強度σb>0.98GPa、延伸率δ>30%、沖擊值ak>9.8×105J/m2、導熱系數k<41.9W/(m2℃)，耐高溫的特性直接加大了加工難度，在加工時的大切削力和高溫共同作用下，刀具產生碎片或變形，進而斷裂；此外，此類合金會迅速產生加工硬化現象，工件在加工時產生的硬化表面會導致刀具切削刃在切深處產生缺口，并使工件產生不良應力，破壞加工零件的幾何精度。

2 現狀分析

國外學者對高溫合金切削加工做了大量研究。1939年，英國Mond鎳公司(國際鎳公司)首先研制了鎳基合金Nimonic 75，隨后發展的Nimonic80成功用于渦輪噴氣發動機的葉片材料，形成了Nimonic鎳基合金系列。1940年初，美國開發了Hastelloy B 鎳基合金用于GE公司的Bellp-59噴氣發動機。1950年，美國PW公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發出了Waspalloy、M-252和Udmit 500等合金，并在此基礎上形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌號，廣泛用于渦輪葉片。1940～1950年中期，合金成分的調整。1950年：真空熔煉技術的出現，使大批如Mar-M200、In 100等高性能鑄造高溫合金得以開發。1960年以后，定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機械合金化、陶瓷過濾等溫鍛造等新工藝的發展，成為高溫合金發展的主要推動力。同樣，國內學者也做了大量研究，1956年～1957年，WP-5發動機用GH3030、GH4033、GH34和K412合金相繼試制成功；1960年，GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、GH3128、K417等合金先后研制成功；還先后為各種火箭發動機研制了一批高溫合金；與此同時，高溫合金開始推廣應用到民用工業部門，如柴油機增壓渦輪、地面燃氣輪機等，并相繼開發出了一批高溫耐磨和耐蝕高溫合金；1970年，高溫合金的生產試制和研究已初具規模，通過仿制、消化和發展蘇聯高溫合金為主體的合金及其工藝質量已達到或超過蘇聯標準和實物水平，航空發動機所需材料全部立足于國內。

目前，我公司經常加工高溫合金，但是對高溫合金加工過程切削參數、刀具材料及角度、冷卻潤滑、材料性能等系統研究不足，迫切需要對高溫合金加工進行系統性研究，為未來的高性能連接器大批量生產打下基礎。因此，迫切需要開展對高溫合金加工技術進行研究，滿足車間實際生產需求。

3 零件結構分析

以細長軸針體零件(見圖1)為例，該零件要求機械強度高，且高溫抗蠕變能力強，該針體總長為32mm，直徑分別為Φ1.2mm、Φ1.5mm、Φ1.58mm，屬于細長軸零件，在加工過程容易變形，需要對變形進行控制，以滿足生產需求。

圖1 針體零件

4 刀具的選擇

由于加工鎳硅合金要求刀具硬度高、質地緊密、傳熱效果好、高溫活性強，特別是在600℃時與氧、氮產生間隙固溶，在加工鎳硅合金時表面硬度明顯上升，對刀具具有強烈的磨損作用。由于涂層刀具具有耐磨耐高溫特性，因此在加工此類高溫合金零件時應盡量選用涂層刀具。

涂層硬質合金刀具幾乎適用于各種難加工材料的切削加工，但涂層的性能(單一涂層和復合涂層)差異很大，因此，應根據不同的加工對象，選用適宜的涂層刀具材料。金剛石涂層硬質合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂層硬質合金，使涂層刀具的應用范圍進一步擴大，脫離實際加工需要而盲目選用新型材料刀片，也可能增大加工成本，使用新型材料刀片時，如采用不正確的切削速度和進給率，也會影響工件加工質量和刀具使用壽命。因此，選用難加工材料切削刀片時，需要正確評估加工的經濟性和綜合考慮整個加工工藝過程。

在對刀具選擇分析的基礎上，本文選用專用鎳合金加工刀片(見圖2)和專用高溫合金刀片(見圖3)進行加工試驗，刀具性能如表1所示。

圖2 專用鎳合金外圓車刀

圖3 專用高溫合金外圓車刀

表1 刀具性能表

5 切削液分析

切削液可以選擇水基切削液，傳熱快，流動性好的冷卻液，不可用含氯的切削液，加工中不能與鋁、鋅及其合金、銅以及錫等混合，如果切削液中含氯，切削過程中高溫下將分解釋放出氫氣，被鎳吸收后引起表皮脆裂，也可能引起鎳合金高溫應力腐蝕開裂。

車間切削液主要使用福斯品牌，型號ECOCOOLEM5是一種乳白色水溶性切削液，其化學成分如表2所示。從表2中可以看出，此切削液為水基，主要成份為礦物油，不含氯，符合加工鎳合金條件要求，此切削液可以滿足鎳合金加工要求。

表2 切削液化學成份

6 車削加工驗證分析

由于縱切自動車屬于一刀車削到位，切削力大，導致零件容易變形，表面質量差，需要對每個零件進行檢測，及時修改變動量，更改程序參數和刀補。同時，由于加工設備屬于縱切自動車，該設備不分粗精加工，一次走刀全部加工到尺寸精度，所以對刀具性能提出了更高的要求。

切削鎳鉻鎳硅合金時，切削溫度高，刀具耐用度低，切削速度對切削溫度的影響最大，一般情況下，硬質合金刀具保持在650℃～750℃。通過多次車削加工試驗，得出如下切削參數：

1)切削速度vc

切削速度刀具耐用程度影響最大，最好能使刀具在相對磨損最小的情況下設置切削速度，可根據不同切削材料硬度和切削深度來設置，盡量選用較小的切削速度來加工鎳合金。一般粗銑為20～50m/min，精銑為40～70m/min；

2)進給量f

進給量對刀具的耐用度影響較小，在保證加工表面粗糙度的情況下，可選擇較大的進給量，一般情況下可選擇0.003～0.006mm/r，進給量不能太大，太大會使刀具磨損加快，增大切削力，導致零件變形。因此，一般不要大于0.006 mm/r。

3)切削深度ap

切削深度對刀具的耐用度影響最小，一般可先用較大的切削深度，這樣可避免刀尖在硬化層內切削，還可以增加刀刃工作長度，有利于散熱，縱切自動車是一刀車到尺寸公差，切削深度等于毛坯減去零件尺寸，不能人為調整。

通過使用專用鎳合金加工刀片和專用高溫合金刀片進行加工驗證，零件加工效果如圖5和圖6所示，從試加工驗證情況分析，認為在相同的加工條件下，專用鎳合金刀片獲得了好的零件表面效果，且刀具沒有明顯的磨損；專用高溫合金刀片加工的零件粗糙度值大，不能滿足圖紙要求。因此，外圓刀片選用專用鎳合金刀片。

圖4 專用鎳合金刀片車削

圖5 專用高溫合金刀片

7 總結

針對鎳鉻鎳硅合金接觸件不具備加工能力的問題，本文從刀具、工藝參數方面入手，進行了大量的工藝試驗，找到了適合鎳鉻鎳硅合金加工的刀具，優化了加工工藝參數，解決了鎳鉻鎳硅合金加工問題，使得車間由不能加工到能加工該材料，首次具備了加工鎳鉻鎳硅合金材料的能力，極大地提高了零件加工質量和加工效率，為公司鎳硅高溫合金接觸件批生產打下了基礎。