高温合金孔加工技术探讨

1.高温合金材料及其切削加工性 随着科学技术和人类文明进步的需要，机械产品高性能、多功能、高质量要求十分强烈，产品结构要求也更加紧凑，零件尺寸向微细化发展。为满足上述要求，具有高硬度、高韧性和高耐磨性的难加工材料在产品中使用得越来越多。 以发电设备为例，汽轮机从30万普通机组到超超临界100万以及燃机等大功率高参数设备，耐高温、耐磨、耐酸的零部件材料采用镍基高温合金或其它难加工材料的比例正在快速增加。据不完全统计，十余年前企业以常规机组为主导产品时，所涉及的高温合金等难加工材料仅GH132等极少数的零件材料。而目前,因火电、气电、核电、风电等新产品的特殊要求，高强度不锈钢、抗低温脆性金属、高温耐热合金等十余种材料给切削加工带来了很大难题，其中高温合金就有近十个牌号，所涉及零件有十余种。这里只就镍基高温合金孔加工问题进行技术探讨。 与一般钢材相比，高温合金的切削加工难点主要表现在以下几个方面： （1）加工硬化倾向大。比如GH4169未强化处理的基体硬度约HRC37，切削后表面产生0.03毫米左右的硬化层，硬度增加到HRC47左右，硬化程度高达27%。加工硬化现象对刀具寿命有很大影响，通常会产生严重的边界磨损。 （2）切削力大。高温合金强度比汽轮机常用合金钢材料高30%以上，在600℃以上的切削温度下，镍基高温合金材料的强度仍高于普通合金钢材料。未强化处理的高温合金单位切削力在4000N/mm2以上，而普通合金钢仅2500N/mm2。 （3）材料导热性差。切削高温合金时产生的大量切削热由刀具承受，刀尖承受了高达800～1000℃的切削温度，在高温和大切削力作用下，将导致切削刃产生塑性变形、粘结与扩散磨损。 （4）镍基合金主要成份为镍和铬，另外还添加有少量其它元素：钼、钽、铌、钨等，值得注意的是，钽、铌、钨等也是用来制造硬质合金（或高速钢）刀具的主要成分，用这些刀具加工高温合金会产生扩散磨损和磨料磨损。 2.孔加工的一般特点 孔加工是切削加工中难度较大的加工方式，属半封闭式加工。特别是实心钻孔时，切削热极易滞留在切削刃附近，切削热和切屑的及时排出很困难，这是影响刀具寿命的关键所在，必须给以足够的关注。 镗孔和扩孔加工是在有预钻孔条件下切削，与车削加工状态相似，但刀杆系统刚性随孔的深径比增加而呈三次方递减，通常镗孔和扩孔的刀杆系统刚性比车削和铣削条件低得多。为了保证孔加工精度、改善排屑条件，刀刃结构、刀杆直径和刀杆强度必须给予合理匹配。 3.高温合金孔加工技术难点 相对于一般钢材切削加工，切削高温合金的刀具寿命要低50%以上，加工效率很低，加工成本也高得多。高温合金孔加工主要难点是： （1）切削力大，消耗机床功率大。比如，采用某进口品牌的φ68机夹扁钻在GH901上进行实心钻孔，功率消耗大于30KW，而用相当直径的机夹复合钻在15CrMo汽缸中分面上钻孔功率消耗低于10KW。 （2）孔加工是半封闭的切削，产生的高切削热和断屑困难的切屑难以及时排出远离刀尖，刀具磨损更为剧烈。例如，在采用普通麻花钻钻削GH901时按普通材料切削用量加工，仅几分钟，刀尖就呈现出蓝色表面的烧伤现象。 （3）用普通的钻削方法难以保证高温合金孔的精度要求。其原因是钻削轴向力大，用摇臂钻床等系统刚性较差的设备加工，钻头等刀具易产生较大的弯曲，导致钻孔偏斜，影响钻孔精度。例如，用普通麻花钻加工GH901阀杆φ14.5径向孔时，钻头在较大的钻削力作用下，发生弯曲，刀刃磨损极快，无法正常切削；改为镗床钻孔，在其它切削条件不变的情况下，顺利地完成了钻孔任务。 （4）高温合金孔加工中，刀具磨损比加工普通钢材快得多，且需要切削性能更好的刀具材料。据研究资料统计，加工高温合金的刀具费用是一般钢材的5～10倍。 4.高温合金孔加工刀具材料 可用于高温合金加工的刀具材料主要有CBN、陶瓷、硬质合金及高速钢。 中小型孔钻削加工的刀具材料推荐使用以超细晶粒合金作基体的新型涂层(如TiAlN、TiZrN)硬质合金，这种材料具有优异的耐磨性和很低的摩擦系数，是目前难加工材料切削最常用的刀具材料。如国内外一些刀具专业厂生产的整体硬质合金钻头及可转位镗刀大量使用了该项技术。 在高温合金钻、扩、铰加工中，仍然大量使用高速钢材料。高速钢刀具材料的韧性比硬质合金高得多，对机床精度和系统刚性要求没有硬质合金刀具高，因此在大中型孔的钻削加工中更有优势。 5.高温合金实心钻孔 （1）钻头基本结构及要求：对镍基高温合金类难加工材料进行实心钻削加工时，常用刀具有整体钻头、机夹钻。机夹钻包括机夹深孔钻(如机夹扁钻、可转位深孔钻)和可转位浅孔钻(用于加工长径比小于5的实心孔)。整体钻头包括硬质合金钻头和高速钢钻头，φ20以下的孔推荐使用整体硬质合金钻。使用整体硬质合金钻要求机床有足够的进给精度、回转精度和刚性。普通镗铣床及钻床主轴跳动一般超过0.05毫米，不能满足硬质合金钻头使用要求。钻头应优先采用公差等级 H6圆柱柄，并用精密强力夹头或液压夹头装夹，以提高刀具系统精度。 关于整体硬质合金钻头(以及焊接硬质合金钻)的刃磨，要求有数控刀具磨床及相关修磨软件，如果企业没有修磨条件，可以优先推荐使用高速钢钻头加工高温合金。 钻削高温合金，要求钻头有更好精度，据有关资料介绍，一些航空航天加工厂钻削这类材料时要求其钻尖径向跳动不大于0.02毫米。钻头的关键还是钻尖的结构，包括锋角、横刃宽度、前角以及钻尖的对称性。 增大锋角可减少刃屑接触长度，降低切削热，改善钻头切削条件。高温合金钻头的锋角推荐135°～140°。 钻头横刃对钻削性能有非常大的影响，一般情况下，横刃处的钻削力可占整个钻头切削力的60%左右，如果不对横刃进行适当的修磨处理，在钻削高温合金材料时，钻尖很快就会磨损烧伤。S形(国内叫十字形)修磨，就是为了加大横刃处前角，减少横刃的长度。未经修磨过的钻头，横刃处前角为－30°左右，经“十字修磨”后横刃处前角大于－15°。这是降低钻头扭矩和切削热的有效途径，这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。国内外开发的许多新型钻头产品，其横刃均有此特点。 钻削高温合金孔的钻尖要有足够的对称性，这是控制孔尺寸和位置精度的必要条件。采用机磨是控制钻头锋角、横刃对称性的最好办法。 （2）钻孔冷却方式：为了便于排屑，市场上推出了内冷孔钻头，可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等，使排屑变得更为顺畅，这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。但该钻头要求机床具有内冷系统，或者有外冷转内冷机构。同时，该类钻头的刀具成本高，而且刀具修磨一般要求在刀具刃磨中心上重磨。 在一般情况下，钻削可以采用外冷方式。加工高温合金有效的冷却是必不可少的，水基切削液是冷却效果最好的切削液。为了改善实心钻孔的冷却条件，喷液嘴应尽量接近钻头入口处，并与钻头轴线夹角小于30°，喷液方向尽量与钻头螺旋沟槽方向一致。 （3）高速钢麻花钻：高速钢麻花钻是低速加工高温合金的传统刀具，其优点是容易手工修磨，刀具材料韧性好，对机床的要求相对较低。下面是用高速钢麻花钻加工高温合金孔的实例： 工件材料：GH901；机床：数控落地镗床TK6513，机床功率30KW；钻头：普通HSS麻花钻，锋角140°，横刃修磨要窄0.2mm；钻头尺寸： φ12.3×80；切削用量：Vc=3.864m/min，fn=0.06mm/r；冷却条件：外冷，马斯特水基切削液，每钻进3mm立即退刀，防止钻刃空转与孔底反复挤压磨擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度，钻尖全部退出，其目的是对钻头及孔内进行冷却，提高切削液冷却效果，改善排屑条件。一个孔加工时间：17分钟；刀具磨损：锋刃有较轻微的磨损；加工效果：孔的直线度、表面粗糙度均达到了预钻孔要求 （4）可转位浅孔钻 可转位浅孔钻是带可转位硬质合金刀片的高效钻孔刀具，其钻孔效率是普通钻头的4倍以上。东汽最早在贝拉尔蒂数控镗床上用于加工普通钢材料法兰面螺栓孔，目前已在常用钢材加工中广泛使用。通过试验该钻头也能用于高温合金阀杆的钻削加工，但要求刀具有如下结构特点：①刀片要有较锋利的切削刃，以降低钻削力；② 刀片断屑槽要合理，减少切屑的过分卷曲变形带来的大量切削热；③根据机床功率选用合适的刀具直径；④选择合适的刀具长径比，尽量增加刀具系统刚性。 现以高温合金轴类零件φ71×240径向孔加工为例进行分析。 ① 浅孔钻的选择：与整体钻和硬质合金焊接钻相比，浅孔钻的切削力较大，在选择时要考虑系统刚性和机床功率等基础问题。为了满足高温合金对钻头的要求，首先选择刚性较好的3倍径浅孔钻。另外经试验，钻头直径选择φ68时，切削消耗功率接近TK6513数控落地镗床的额定功率30KW。为此，结合现有资源，选择了φ58的浅孔钻。具体规格如下：钻头规格：φ58×174；刀片型号：P28479-7 WAP35 ②切削用量的选择：如前所述，高温合金材料的切削加工性很差，在加工中的切削用量要比加工普通材料低得多，如在车削GH901阀杆时切削用量仅为Vc=25m/min，fn= 0.15mm/r，ap=2mm。而高温合金实心孔的钻削难度更是高于一般车削加工。另外，实心钻削加工刀具排屑空间很有限，还需要考虑排屑的状态。试验表明，“C”型屑有利于排屑，较合理的切削用量如下(钻头半径为29mm)：Vc≤20m/min，fn=0.1mm/r。 ③钻削方法：因机床无内冷系统，切屑无法及时排出。为克服该问题，减少切屑对刀具寿命的影响，同麻花钻钻孔情况相同，需采用间隙进给方式，即每钻5毫米深度立即退刀，以防止钻刃空转与孔底反复挤压磨擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度，钻尖要全部退出，其目的是对钻头及孔内进行冷却，提高切削液冷却效果，改善排屑条件。 因钻头有效钻削深度不够，加工中采用了分头钻削方式，即先从一端钻至钻头工作深度，再调头从另一端钻削接通。 ④柱面钻孔前要求：在圆柱面上直接钻径向孔，与在<