粉末冶金高溫合金車削加工用立方氮化硼刀具試切


（河南超硬材料研究所，轉(zhuǎn)載請說明出處）

以航空航天用發(fā)動機(jī)渦輪加工為例說明

渦輪盤是發(fā)動機(jī)重要的熱端部件之一。它的工作條件極為苛刻，在飛行時承受著循環(huán)機(jī)械應(yīng)力和溫差引起的熱應(yīng)力的疊加作用，很輕易產(chǎn)生渦輪盤疲憊斷裂。另一方面, 渦輪盤件用的γ′相沉淀強(qiáng)化型合金由于強(qiáng)化元素不斷增多，嚴(yán)重的偏析使熱加工性能惡化、低周疲憊性能降低、裂紋輕易擴(kuò)展，且投料比達(dá)19∶1以上。高投料比和復(fù)雜鑄造工藝，使其本錢大為進(jìn)步。為保證航空發(fā)動機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性、本錢的經(jīng)濟(jì)性，對于此部件的材料歐美等發(fā)達(dá)國家多用粉末高溫合金，我國也正在逐步改用之中。

粉末高溫合金渦輪盤組織均勻、晶粒細(xì)小、無明顯偏析、合金化程度高、抗屈服強(qiáng)度高、抗疲憊性能好，是高推比發(fā)動機(jī)渦輪盤等部件的*材料；而與變形高溫合金相比，它降低了原材料的消耗，金屬的利用率大大進(jìn)步，本錢低；渦輪盤壽命也明顯進(jìn)步，由原來的1032h進(jìn)步到1500h。但同時也增加了加工過程的難度，粉末冶金零件的切削加工性較差, 一般只能低速加工, 并且在使用普通的刀片時刀具磨損很快,刀尖鈍化嚴(yán)重, 加工質(zhì)量難以保證。現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場所做粉末高溫合金盤的切削試驗，介紹一下不同的刀具對的試驗加工情況。

2 粉末高溫合金的切削性能

粉末高溫合金具有組織均勻、晶粒細(xì)小、屈服強(qiáng)度高、抗疲憊性能好等優(yōu)點，但是由于其中含有很多（如鉻、鈷、鉬、鈮、鎳、鐵、鉭等）高熔點合金元素且g相含量高，使得粉末高溫合金得到很大的強(qiáng)化效應(yīng)，在一定的溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高，其硬度反而有所進(jìn)步，由于其材料本身的化學(xué)成分及獨特的多孔性結(jié)構(gòu)，在較小的面積內(nèi)其硬度值也有一定的波動。即使測得的宏觀硬度為20~35 HRC，但組成零件的顆粒硬度會高達(dá)60HRC，這些硬顆粒會導(dǎo)致嚴(yán)重而急劇的刃口磨損，因此粉末冶金高溫合金是典型的難加工材料。

渦輪盤的切削試驗

試驗?zāi)康模哼x擇好的品牌、好的刀具材料，優(yōu)化切削參數(shù)。

試驗刀具：焊接硬質(zhì)合金刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、CBN刀具、陶瓷刀具。

試驗機(jī)床：CK61100（轉(zhuǎn)速范圍：4~400r/min。

*小進(jìn)給0.001m/min；*大回轉(zhuǎn)直徑1000mm）。

工藝要求：工件材料FGH96，材料硬度（HB）>388，工件直徑610mm；

加工方法：車削。

丈量儀器：千分表、卡尺。



試驗結(jié)果與分析

1 焊接硬質(zhì)合金刀具切削試驗

根據(jù)上述粉末高溫合金的切削性能分析可知：粉末高溫合金比變形高溫合金更難加工，所以在焊接硬質(zhì)合金刀具幾何角度的選擇上，刀具前角應(yīng)略小，以保證刀具的刀尖強(qiáng)度。研究中在FGH96 渦輪盤粗加工時通過比較試驗*采用YD類的焊接刀具，試驗時切削參數(shù)如下：

切削速度v=10~30m/min，切削深度ap=0.25mm，進(jìn)給速度f=0.1~0.2mm/r。

試驗中采用三因素正交試驗法，試驗幾組參數(shù)：

（1）v =30m/min，ap=0.25mm，f=0.2mm/r。

（2）v =25m/min，ap=0.25mm，f=0.2mm/r。

（3）v =25m/min，ap=0.25mm，f=0.2mm/r。

（4）v =20m/min，ap=0.25mm，f=0.1mm/r。

（5）v=13.5m/min，ap=0.25mm，f=0.1mm/r。

試驗結(jié)果表明，（1）~（3）組參數(shù)刀具磨損劇烈，很快失效。而后刀面的磨損，既包含了主后刀面磨損，又包含了副后刀面磨損，工件表面質(zhì)量極差，材料幾乎被剝落。由于切削力大、切削溫度高，切削路徑長度大約在2~3m 時刀尖塑性變形嚴(yán)重。（4）組參數(shù)固然好于前3 組，但刀具的磨損使刀具的壽命仍然不能保證連續(xù)加工一個面。（5）組參數(shù)相對較好，能保證粗加工的使用要求，但是加工效率很低，由于其價格便宜，可以在加工毛料時使用。

2 涂層硬質(zhì)合金刀具切削試驗

通過試驗比較，*選用材料S05F這種刀片材料。硬質(zhì)合金S05F這種刀片材料采用了新技術(shù)，是專為解決鎳基高溫合金的切削而設(shè)計的。材料的晶粒更細(xì)，表面有4μm的CVD TiCN-Al2O3-TiN的薄涂層，此刀片特別適合粉末高溫合金的精加工，其耐磨性好，適用于小切深。

S05F V型刀片切削用量：v=30~60m/min，ap=0.25mm，f=0.1mm/r。采用速度逐漸遞增的方式。

試驗結(jié)果：表面質(zhì)量很不好。刀具表面有崩刃現(xiàn)象，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)刀片在安裝時沒有固定好，致使在切削過程中刀片振顫。

改進(jìn)后結(jié)果：經(jīng)過重新定位調(diào)整后，切削用量采用：v=35m/min，ap=0.25mm，f=0.1mm/r。效果相對較好。切削流暢，每段切屑長度大約在5~6cm左右，切屑易于控制。加工過的表面跳動值大約在0.01mm。加工后表面端跳動值約為0.01mm，效果更好。

刀具磨損情況：刀尖及邊界磨損極為嚴(yán)重，后刀面也產(chǎn)生了溝紋磨損。由于FGH96鎳基高溫合金的導(dǎo)熱性差，粉末高溫合金粘結(jié)傾向大，輕易粘刀產(chǎn)生積屑瘤，在合金中存在大量的金屬碳化物，切削過程中相當(dāng)于對刀具進(jìn)行研磨，另外國產(chǎn)材料中大都有硬質(zhì)點，這對刀具有很強(qiáng)的沖擊性和破壞性，因此會造成上述磨損。

由于粉末高溫合金中的微量元素在高溫下會與硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生親和作用，使得硬質(zhì)合金微粒隨切屑一同被帶走，形成了刀具材料的局部剝落，切削刃已呈現(xiàn)須狀崩碎紋。在車削粉末高溫合金時硬質(zhì)合金刀片磨損嚴(yán)重，只能在很短的時間內(nèi)保證加工精度。另外，使用TiAlN涂層的刀具壽命要好于其他刀具，由于鋁在加工過程中形成氧化鋁可以阻止刀具的進(jìn)一步磨損。

上述硬質(zhì)合金刀片切削粉末高溫合金，固然效率不盡如人意，但與焊接刀具相比有很大進(jìn)步，尤其在加工輻板和蓖齒時，需要刀具有很高的抗沖擊韌性，更是其他刀具不能取代的。

3 陶瓷刀具切削試驗

陶瓷刀具的試驗采用了WG-300和KY2100兩種材料的圓刀片。WG-300和KY2100都是Si3N4賽阿龍?zhí)沾傻镀�，非常適合加工鎳基高溫合金，也適合加工粉末高溫合金。

切削用量：v=110~150m/min，ap=0.5mm，f=0.1mm/r。

試驗結(jié)果表明：切屑長而薄，自動斷屑狀態(tài)不好，屬于自卷曲斷屑，零件表面端跳動值在0.04~0.05mm，刀片邊沿稍微崩裂，后刀面有溝槽磨損的現(xiàn)象。經(jīng)過試驗，*采用的切削用量為：v=145m/min、ap=0.5mm、f=0.1mm/r，效果很好。

用賽阿龍?zhí)沾傻镀�進(jìn)行加工時，加大切削速度效果反而更好。這是由于賽阿龍?zhí)沾傻毒卟捎肁l2O3作為耐磨相，Si3N4為硬化相，具有很高的室溫與高溫硬度，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和抗機(jī)械磨損性能，在1000℃的高溫下仍能進(jìn)行切削。速度越高，產(chǎn)生的切削溫度越高�？坎牧系淖攒浶�，刀片的切削加工更為輕易，刀具工作壽命延長。因此，陶瓷刀具切削粉末高溫合金，增加切削熱，往往成為改善切削加工性的有利因素。

用陶瓷刀具高速切削粉末高溫合金時，使用圓刀片增大刀片的強(qiáng)度。但是使用圓形刀片時，應(yīng)當(dāng)減小切深以降低切削抗力。另一方面用陶瓷刀具切削既可干切，也可使用冷卻液。使用冷卻液，要保證充足的壓力以使冷卻充分。公道使用冷卻液，不僅可以阻止積屑瘤的形成，還有利于降低切削區(qū)域的溫度、帶走多余的熱量，減少刀具的磨損。

4 CBN刀具切削試驗

立方氮化硼（CBN）刀具材料是用六方氮化硼（白石墨）為原料，經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成的無機(jī)超硬材料。制造方法為：可做成整體的圓柱形燒塊，或在碳化鎢硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)成0.5mm厚的復(fù)合刀片。立方氮化硼刀具可用金剛石磨輪磨出新的幾何角度。由于立方氮化硼有很高的硬度和耐磨性、很高的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，適合于難加工材料的切削加工，尤其是粉末高溫合金, , 的高速切削加工。

切削用量：v=90~110m/min，ap=0.5mm，f=0.1mm/r。在切削用量為v=105m/min、ap=0.5mm、f=0.1mm/r時，由于材料中有硬質(zhì)點的存在，受到?jīng)_擊力，產(chǎn)生了稍微崩刃的現(xiàn)象。切屑長而薄，自動斷屑狀態(tài)不好，屬于自卷曲斷屑，刀具*紅熱，表面氧化發(fā)黑。

而采用切削參數(shù)為v=90m/min、ap=0.5mm、f=0.1mm/r，并使用切削液時，切屑呈暗紅色的“半熔態(tài)”，沿副刀刃方向流出，切削溫度很高。在高溫高壓作用下造成粘結(jié)磨損；零件表面端跳動值在0.02mm左右。與硬質(zhì)合金相比，CBN刀片車削粉末高溫合金的刀具的后刀面磨損量VB要小得多，而且CBN刀片的加工精度可以得到保證。在質(zhì)量相差不大的情況下，CBN的刀具壽命明顯要高于涂層硬質(zhì)合金。

但是在高溫高壓下粉末高溫合金與CBN 刀片表面會發(fā)生親合作用，因而發(fā)生較明顯的粘結(jié)，造成粘結(jié)磨損，因此要通過使用高壓切削液和減少切削抗力的辦法減少磨損。因此加冷卻液是進(jìn)步CBN刀具壽命的措施之一。

結(jié)語：用CBN刀具加工粉末高溫合金，效率高于硬質(zhì)合金刀具，刀具壽命高于陶瓷刀具。