1.現狀與問題
在生產加工中，遇到如圖1所示零件結構，該零件材料為高溫鎳基合金Inconel 718，材料標準為AMS5662。
該零件使用φ63.5mm×122mm棒料加工，為減小零件的加工餘量，安排粗加工工序先將內孔加工到φ28～φ28.5 mm，再使用數控車床加工，工序步驟如下：粗車外圓、外錐面、端面→ 半精鏜內孔 → 精鏜內孔 → 精車外圓、外錐面、端面 → 切斷。該零件的主要加工難點為外錐面的切削餘量大，單邊要去除3.5～11.7mm的大餘量，由於零件材料Inconel 718鎳含量為50%～55%，鉻含量佔17%～21%，可以看出切削加工性很差，粗車外圓、外錐面、端面時最初分別選用了多種刀片加工，但都是每兩個刀片刃部僅能加工一個零件，即在粗車過程中，先將零件外圓、外錐面加工一半，然後更換刀具加工剩餘的一半，其餘工步加工需每加工2～3個零件更換一次刀具。刀具磨損情況如圖2所示，堆積在刀具前面近切削刃處的硬楔塊形成積屑瘤，積屑瘤脫落時會引起切削刃破損，由於刀具選擇不合理，加工時刀具磨損相當嚴重，換刀相當頻繁，增加了操作者的勞動強度，降低了生產效率。
圖2 刀片磨損
2.粗車外圓刀具的選擇
根據高溫合金的性質及其加工特點，切削時必須選擇合適的刀具材料、合理的刀具幾何參數、合理的切削用量及切削液使用方法。（1）刀片材料選擇 切削高溫合金時應選用耐熱性好、抗彎強度高、耐磨、導熱性能好及抗粘結性好的刀具材料，如硬質合金、立方氮化硼及氮化硅陶瓷等，經過對比試驗，選用合適的硬質合金刀具，加工成本較低。選擇的用於車削加工鎳基高溫合金外圓、端面用粗車刀具為SAFETY公司的型號為WNMG080412-M7 9605刀片，該刀片基體材料為亞細晶粒硬質合金，粒度＜1.0μm，合金基體硬度為90～93.5 HRA，表面採用4μm 厚度的TiAlN（氮化鋁鈦）塗層，帶塗層合金表面硬度為2000HV，具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、塗層附著力強、摩擦係數小及導熱率低等優良特性，適合於高溫合金、鈦合金及高強度不鏽鋼的加工。（2）刀具結構及幾何參數 高溫合金粗車時切削力大，為增強刀具強度，選擇了0°前角槽形刀片，刀具后角為0°，刀尖半徑1.2mm，刀尖角80°，在保證刀具強度的同時，選較大的主偏角95°,減少主刃切削寬度，增加切削厚度，減少加工表面硬化現象，降低切削刃磨損，提高刀具使用壽命。由於高溫合金塑性好、強度高，切屑易捲曲，切屑易纏繞在工件或刀具上，故需在刀片上製造斷屑槽進行強制斷屑，如圖3所示。
該刀片刀尖處有0.2mm寬的刃口，與0°后角形成良好的支撐，增強了切削刃的強度；和刃口緊鄰的倒角和圓弧面利於切屑成形和捲曲，因而得到更好的切屑流動並減少摩擦，減少振動和使切削溫度降低，從而使工件切削處的切削力和剩餘應力減小。
刀尖半徑會影響到切削刃強度，粗加工選取大刀尖半徑（R0.8mm或R1.2mm）可獲得高強度切削刃，並可選擇較大的進給量和切削深度，從而獲得較高的刀具壽命和高金屬去除率。（3）粗車切削參數 在高溫合金加工過程中，隨著切削速度的增加，切削溫度會升高，為避免切削溫度過高，應採用較低的切削速度；由於高溫合金加工過程中易產生硬化層，為避免切削刃和刀尖劃過硬化層，切削深度約為刀尖半徑的1/2，外圓、端面粗車參數見表１。
3.精車外圓刀具的選擇
（1）刀具材料及結構 精車外圓刀具與粗車外圓刀具的材料相同，但由於切削餘量較小，切削力相對較小，為獲得鋒利的刃口，必須採用較大的前角。增大刀具的前角可減小切屑切離和清除過程中所遇到的阻力，並減小切削熱，但前角過大則刀頭散熱體積減小，切削溫度反而升高。實踐表明，取前角15°～20°最為合適。
在選擇后角時，后角過小容易和工件表面產生嚴重摩擦，使加工表面粗糙度惡化，加速刀具磨損。並且由於強烈摩擦，加強了高溫合金表面加工硬化效應；刀具后角也不宜過大，后角過大，使刀具的楔角減小，降低切削刃的強度，加速刀具的磨損。精加工選擇較小刀尖半徑可獲得較高的表面質量，經試驗，選擇高溫合金精車刀片型號為CCGT09T302-PM29605，為正前角槽形刀片，刀具前角18°，刀具后角7°，刀尖半徑0.2mm，斷屑槽幾何形狀如圖4所示。
對於鏜孔工步，由於在鏜孔前已進行鑽孔加工，故鏜孔僅分為半精鏜孔和精鏜孔，半精鏜選擇刀尖半徑0.4mm，刀片型號為CCGT09T304-PM2 9605，精鏜刀片與精車外圓刀片型號相同。
（2）切削參數 在高溫合金加工過程中，半精加工及精加工的切削速度也不宜過高，切削深度不能過高，也不能過低，須在一個合理範圍。切削參數見表2。
（3）其他車削要素 對於高溫合金切槽、切斷和車螺紋等， 也進行了工藝試驗，選擇了合適的刀具及工藝切削參數，見表3。
4.切削液
切削高溫合金時，為降低切削溫度，提高刀具耐用度，應使用切削液。選擇的切削液應不含硫，以避免在切削過程中造成晶間腐蝕，我們選擇了馬思特公司型號為TRIM SC310的切削液，該切削液為高油半合成型，PH值為9.6，具有良好的溼潤性、冷卻性及防腐性能，並含有機械潤滑作用的化學表面活性劑，能夠滿足高溫合金的切削及冷卻要求。高溫合金加工刀具磨損大，故原則上分粗、精加工，以減小切削餘量，工藝路線安排如下：下料→ 熱處理（按需） → 粗加工 → 半精及精加工 → 去毛刺 → 標印 → 清洗 → 滲透檢查 → 清洗 → 檢驗 → 包裝。在加工過程中注意以下幾點：1）當設計圖中有熱處理要求時，在下料後機加前安排熱處理工序。2）迴轉類零件可用鑽孔、車削等方法進行粗加工，單邊留餘量1～2mm。3）零件較大或形狀複雜時可用線切割方法進行粗加工，單邊留餘量1～2mm。4）半精加工及精加工原則上安排在同一設備上進行，選擇不同的刀具及切削參數。5）機加工序完成後安排滲透檢查工序，以便於檢查零件材料是否存在缺陷。
5．結語經過大量的工藝試驗工作，對鎳基高溫合金零件車削加工的全過程進行了工藝研究，選擇了合適的切削刀具，摸索出了一套合理的工藝參數，滿足了高溫合金零件車削加工要求。
文章來自《金屬加工（冷加工）》2020年第2期
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