基于低溫風冷的超高強度鋼銑削技術研究

郭寧榮，宗 進，黃振宇，孫鳴遠

（中航工業洪都集團有限責任公司，江西 南昌 330000）

0 引言

A100 超高強度鋼是一種強度高、硬度高的鋼，是飛機起落架首選材料。飛機起落架關鍵結構件超高強度鋼的加工切削是航空制造的關鍵環節，超高強度鋼具有高抗拉強度和硬度的特點，但存在切削變形大、切削力大、加工硬化顯著的問題，導致刀具磨損快，給切削帶來了極大難度。例如江西洪都航空工業集團部件加工廠的某些工件使用A100 材料，在零部件加工制造過程，面臨切削效率低、刀具消耗大的問題。針對上述問題，國內外學者進行了大量研究，任家隆等[1]針對GCr12、Cr12、45 號鋼三種中強度材料分別采用自然冷卻、常溫壓縮空氣、低溫風冷方式進行了切削試驗，發現風冷加工能夠提高刀具使用壽命，冷風溫度越低，冷卻效果越好。趙威等[2]用液氮作為冷卻介質，用于高速銑加工鈦合金發現，和干切削相比，刀具磨損與已加工表面粗糙度均相對較低。滿忠雷等[3]試驗在氮氣介質下銑削鈦合金時，發現刀具的磨損狀況比干銑削時得到明顯的改善，刀具壽命平均提高1 倍以上。北京航空航天大學袁松海等[4]用硬質合金刀具銑削高強鋼30CrNi2MoVA 試驗，發現低溫微量潤滑切削可以抑制刀刃處黏結物產生，延長刀具使用壽命。安慶龍等[5]在鈦合金的平面磨削中，分別使用低溫干式冷風、常規澆注以及低溫氣動噴霧射流對磨削區進行沖擊冷卻，發現采用低溫氣動噴霧射流技術具有更好的冷卻效果。袁松梅等[6]指出，微量潤滑技術作為一種綠色高效的加工方法，具有切削力低、延長刀具壽命、提高工件表面質量等優點，但現場應用工藝仍需完善。在已有研究的基礎上，本文通過研究低溫對于超高強度鋼的加工性能影響，提出對超高強度鋼的可加工性與現有力學性能指標、刀具性能、切削參數之間的關系，探索降低刀具損耗、提升加工效率的工藝。

1 技術研究思路

1.1 基本需求分析

超高強度鋼（A100 鋼）具有高強度、高硬度，且具有高的斷裂韌性和延展性，實現高強高韌結合，被廣泛用于先進戰斗機起落架等重要承力構件。美國已成熟將其運用于F22/F35 等先進戰斗機起落架上。目前國內現有的A100 鋼材料技術及其配套加工工藝技術不斷完善，國內新研飛機起落架關鍵結構件上也開始大量采用A100 鋼，這大大提高了飛機起落架的性能。然而，A100 鋼材料在銑削加工存在材料切削加工性差、刀具磨損嚴重、難加工的工藝難點，作為起落架關鍵結構件，毛坯去除率高達55%～60%，占零件加工周期35%以上。A100 鋼材料的切削加工性能是制約我國軍用戰斗機、艦載機、民用型號飛機起落架關鍵結構件加工效率的共性問題。突破A100 超高強度鋼的零件銑削工藝，是推動國家航空制造業生產效率提升、推動國家航空產業發展和確保國防安全的重大需求問題。

1.2 技術解決方案

采用超低溫風冷（-60 ℃）微量潤滑粗加工銑削A100 超高強度鋼（23Col4Ni12Cr3MoE）是一種清潔化高效加工方法。系統如圖1 所示，在加工中心旁設置低溫風冷微量潤滑加工裝置，風冷微量潤滑系統產生的超低溫壓縮空氣和微量潤滑劑混合通過保溫管路輸送到主軸附近，冷氣分成2 路或3 路吹向刀具加工點附近，噴頭距離刀片5～30 mm。冷卻采用外置噴頭的方式，兩個噴頭呈45°角吹向加工點。

圖1 加工系統示意圖

2 超低溫風冷加工與常溫切削液加工對比試驗

2.1 試驗方案和切削參數

本試驗在成都龍泉卡爾中心展開，機床采用三軸強力銑床、超低溫風冷微量潤滑系統，通過低溫風冷系統產生的冷氣，輸送到加工中小刀具加工點，進行低溫風冷加工。

把試件A100 材料（23Col4Ni12Cr3MoE）加工成直徑130 mm 和160 mm 的棒料，底部開壓板槽，用于固定。試驗過程采用銑面，首先用切削加工，選擇加工參數vc=90 m/s、Ap=0.5 mm、Fz=0.46、直徑De=32 mm、吃刀量ap=0.5 mm，獲取的切削加工效率和刀具壽命作為基準。超低溫風冷微量潤滑系統環境參數為溫度-60 ℃，進氣流量100 m3/h，空氣壓力0.55 MPa，冷卻介質為乳化液/低溫壓縮空氣。超低溫風冷加工試驗現場如圖2 所示。

圖2 超低溫風冷加工試驗現場

2.2 試驗程序

試驗用材料分為直徑160 mm 與直徑130 mm 兩種規格，依據不同的切削參數編制了不同的加工程序；兩種規格高度都為125 mm，編制程序為上表面圓心為G54，每個程序加工高度H=50 mm；每個試棒可加工兩次程序；程序采用先走內腔模擬滿刃切削，再走外側壁高度輪廓。

2.3 試驗過程

1）規范試驗用量大小，切割成大小合適3 h 左右加工時間規格。考慮材料、刀具切削性能，本試驗棒料直徑為130 mm 和160 mm 有效加工高度為100 mm，將毛坯下料，底部銑壓板槽，壓板槽槽寬10 mm、深20 mm。

2）選用3 齒快進給刀具瓦爾特Φ32R0H140（有效長度140）；F2330.Z32.032.Z03.01.5；刀片P26335-R14WSP45S，3 個切削刃；選用3 齒圓刀片銑刀森拉天時Φ32R0H140（有效長度140）；G251.32.R.03-12-35-RS；刀片RPHX1204M8SN-F50 CTCS245，8 個切削刃。

3）依據試驗料大小編制走刀路徑，盡可能覆蓋毛坯表面，采用螺旋走刀路徑，注意下刀角度1°，確定切寬Ae=21 mm。

4）依照vc=90 m/s、Ap=0.5 mm、Fz=0.46，采用常溫水冷和-60°作為初始參數得到刀具壽命TL。

5）依次改變切削參數，如切深、每齒進給量、線速度、溫度；通過調整得到最優的綜合加工功效C，C=QTL，其中TL為刀具加工壽命，Q 為切屑去除量。

6）每組試驗完成后，根據需要，每隔15～30 min，把刀片取下，在影像儀下觀察刀片磨損情況如圖3 所示。試驗采用四川普賽PV4030-DCC 影像儀對刀片放大50 倍進行觀察，并記錄，直至刀片完全磨損至不能使用，記錄下刀具的壽命。

圖3 普賽PV4030-DCC 影像儀測量刀片磨損狀態

3 試驗結果分析

兩種切削工藝切出的試件，目視檢查無差異，低溫風冷加工現場干凈，所有運用低溫風冷切削的綜合加工功效都顯著高于切削液加工。在相同的切削參數條件下，用常溫切削液加工，刀具壽命146 min，去除速率13.13 cm3/min，綜合加工功效1917 W；同樣的切削參數，改成低溫風冷微量潤滑加工，刀具壽命260min，刀具壽命提升了78.1%；綜合加工功效3412.5 W，提升了78.1%。四川普賽PV4030-DCC 影像儀對刀片放大50 倍的觀測如圖4 所示。

圖4 四川普賽PV4030-DCC 影像儀對刀片放大50 倍的觀測

4 結論

1）低溫風冷微量潤滑切削加工能顯著改善超高強度鋼的加工性能，在小的切削深度情況下（0.5 mm），刀具壽命最長可達260 min，提升78%。

2）整體來看，-60 ℃低溫風冷切削更適合超高強度鋼，低溫風冷切削可以通過提高切深和進給量釋放更多的機床加工能力，在超高強度鋼的切削加工中可以大力推廣超低溫風冷微量潤滑加工技術，因為其提高了刀具的使用壽命，節約了加工時間和成本。