鎳基高溫合金(waspaloy加工工藝)

1、鎳基高溫合金(如In718、Waspaloy等)具有熱穩(wěn)定性好、高溫強度和硬度高、耐腐蝕、抗磨損等特點，是典型的難加工材料，常用于制作渦輪盤等發(fā)動機關(guān)鍵部件。由于渦輪盤是航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，在應(yīng)力、溫度和惡劣的工作環(huán)境條件下容易產(chǎn)生疲勞失效，因此渦輪盤材料及制造技術(shù)是研制高性能航空發(fā)動機的關(guān)鍵。由于渦輪盤上的異形孔由若干圓弧和直線組成，形狀復(fù)雜，加工時要求各組成段位置準確、過渡圓滑而不產(chǎn)生加工轉(zhuǎn)折痕跡，表面粗糙度符合工藝要求，因此該高溫合金異形孔的加工是渦輪盤加工的難點。目前，航空發(fā)動機制造商均采用電火花加工方法加工鎳鉻耐熱合金異形孔，但是電火花加工過程中產(chǎn)生的熱影響層難以用普通的磨削、

2、研磨方法去除，往往需要用磨料射流等特殊工藝去除該變質(zhì)層，加工效率低，生產(chǎn)成本高。因此，對高效低成本的鎳基高溫合金異形孔加工方法的研究越來越受到人們的高度重視。 本文通過鉆削、銑削與磨削工藝的不同組合、選用新型涂層刀具及適當(dāng)?shù)募庸?shù)加工鎳基高溫合金異形孔的工藝試驗，討論了用銑削和磨削加工方法代替電火花方法加工鎳基高溫合金異形孔的可行性。 2 工藝試驗與分析1. 試驗條件 切削試驗在加工中心上進行，被加工異形孔的形狀和尺寸見圖1：異形孔的截面由6段圓弧和2段直線組成，孔深10mm。試驗中分別采用以下工藝：鉆削6mm圓孔銑削異形孔；鉆削6mm圓孔磨削異形孔；鉆削6mm圓孔銑削異形孔磨削異形孔。三種

3、不同工藝過程的加工條件、工藝參數(shù)見表1。 表1工序刀具切削參數(shù)切削速度(m/min)進給量(mm/min)切削深度(mm)鉆削銑削鉆削6mm硬質(zhì)合金涂層鉆頭2258-銑削銑孔14mm多層PVD涂層球形銑刀，2刃，刃長25mm，銑刀總長100mm，柄部直徑6mm，直柄523330.1銑孔2104666鉆削磨削鉆削6mm硬質(zhì)合金涂層鉆頭2258-磨削直徑4mm、長6mm的圓柱形氧化鋁砂輪(鉻剛玉)，等級RA120，柄部直徑3mm1883330.05鉆削銑削磨削鉆削6mm硬質(zhì)合金涂層鉆頭2258-銑削銑磨孔14mm多層(TiAlN，TiCN，TiN)PVD涂層球形銑刀，2刃，刃長25mm，銑刀總長1

4、00mm，柄部直徑6mm，直柄523330.1銑磨孔2104666磨削直徑4mm、長6mm的圓柱形氧化鋁砂輪(鉻剛玉)，等級RA120，柄部直徑3mm1883330.05工件材料：In718鎳基高溫合金冷卻液：濃度為9%的乳化液，壓力30Bar圖1 異形孔的截面形狀與尺寸圖2 采用不同工藝獲得的異形孔表面粗糙度1. 分別采用工具顯微鏡和圖像采集系統(tǒng)測量銑刀和砂輪的磨損，記錄磨損形貌。用Taylor-HobsonSurtronic 3p型表面粗糙度儀沿異形孔的軸線方向測量孔的表面粗糙度Ra。2. 結(jié)果與分析 a. 對三種加工工藝過程獲得的異形孔表面粗糙度進行對比，結(jié)果如圖2所示：在三種工藝過程中

5、，采用鉆削銑削磨削(鉆削加工6mm圓孔低用量銑削加工異形孔磨削異形孔)工藝所獲得的異形孔的表面粗糙度最小，而鉆削磨削(鉆削加工6mm圓孔磨削異形孔)工藝所獲得的異形孔表面粗糙度最大。試驗證明：在該試驗條件下采用銑削加工也能獲得滿足表面粗糙度要求的異形孔；鉆孔后磨削加工比鉆孔后銑削加工所獲得的異形孔表面粗糙度精度低；銑削后再進行磨削加工可在一定程度上提高異形孔加工的表面粗糙度精度，但會增加成本，降低效率。 b. 不同加工條件下的銑刀磨損和破損情況：在鉆削銑削過程中，銑削1個孔后，兩把銑刀的轉(zhuǎn)角處均產(chǎn)生了嚴重的溝槽磨損和破損。采用低切削用量銑削異形孔時(v=52m/min，f=333mm/min)

6、，銑刀產(chǎn)生比較明顯的破損(見圖3a)；而用高切削用量銑削異形孔時(v=104m/min，f=666mm/min)，銑刀的溝槽磨損更為顯著(見圖3b)。(a)銑削孔1的銑刀(b)銑削孔2的銑刀圖3 銑刀的磨損、破損形貌(銑削1個孔后)3. 由于In718鎳基高溫合金在切削加工中極易產(chǎn)生加工硬化，合金中的g、g強化相以及WC、WN等硬質(zhì)相在高溫下仍然保持著高硬度并高速刻化刀具的刀面和刀刃，導(dǎo)致刀具產(chǎn)生溝槽磨損。此外，鎳基高溫合金在切削時極易產(chǎn)生側(cè)向塑性流動并在刀具刃口處分離而產(chǎn)生鋸齒狀切屑毛邊和工件飛邊。這些毛邊和飛邊高速、高頻沖擊刀具，在周期性熱應(yīng)力作用下導(dǎo)致刀具產(chǎn)生微小裂紋和剝落。而在進行高用

7、量銑削時，切削區(qū)產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致銑刀嚴重磨損和破損，增大了異形孔的加工表面粗糙度。 4. 從試驗可知：采用氧化鋁砂輪磨削In718鎳基高溫合金時，砂輪迅速磨損，磨削1個異形孔后，砂輪成圓錐形，表面有嚴重的粘附物(見圖4)。這是因為磨削鎳基高溫合金時具有磨削力大、磨削溫度高等特點，在較高的磨削溫度和較大的法向力作用下，磨削區(qū)的被磨材料產(chǎn)生嚴重塑性變形并粘附在磨粒表面，而這種變形和粘附導(dǎo)致磨削力進一步增大，隨著粘附物在剪切力的作用下脫落，使砂輪磨粒發(fā)生破損甚至脫落而過早喪失切削能力，致使工件表面粗糙度增大(甚至大于銑削加工的工件表面粗糙度)。綜上所述，根據(jù)對上述三種工藝加工In718鎳基高溫合金工件

8、異形孔的加工效率和加工效果的比較分析，用鉆削銑削加工工藝代替電火花法加工鎳基高溫合金工件異形孔是可行的。圖4 磨削1個異形孔后砂輪的磨損形貌圖5 被加工工件異形孔示意圖3 鉆削銑削加工鎳基高溫合金異形孔1. 加工與檢測 a. 工件與材料： 工件材料為Waspaloy鎳鉻高溫合金(硬度38HRC)，主要成分見表2。 表2 Waspaloy鎳鉻高溫合金的化學(xué)成分元素NiCrAlTiFeZrMoCoCB含量(wt.%)5719.51.4310.74.3130.050.01渦輪盤上的異形孔是深度為19mm的15斜孔，孔頂部為弧面。銑削試驗時，為了模擬渦輪盤上異形孔的加工過程，將試件加工成與底面成15斜

9、度的弧面，孔深19mm(見圖5)，五個工件為一個試驗組。b. 加工與檢測： 異形孔加工工序包括：銑6mm中心孔平面；鉆削加工6mm的圓孔；銑削加工異形孔(加工條件見表3)。 測量銑刀磨損和異形孔表面粗糙度；采用三坐標測量儀(測頭直徑為2mm)分別在孔深3mm、6mm、9mm、12mm和15mm的位置測量異形孔的尺寸和輪廓變化；測量試驗組第一個和最后一個異形孔加工表面的顯微硬度，以便進行異形孔加工硬化程度的研究。表3 鉆削銑削加工條件加工工序刀具切削參數(shù)切削時間(min/孔)切削速度(m/min)進給量(mm/min)切削深度(mm)銑6mm中心孔平面6mm硬質(zhì)合金銑刀184731.3鉆削6mm

10、孔6mm硬質(zhì)合金涂層鉆頭1847-0.63銑削異形孔4mm多層PVD涂層(TiAlN，TiCN，TiN)端銑刀，2刃，刃長19mm，銑刀總長75mm，柄部6mm，直柄252000.17.58冷卻液：濃度9%的乳化液，壓力30Bar2. 試驗結(jié)果與討論 a. 幾何精度 根據(jù)三坐標測量機的測量結(jié)果(如圖6所示)，銑削加工的所有異形孔尺寸沿軸向深度方向減小，異形孔的軸向呈錐形，最大錐度為0.19，說明在X、Y方向異形孔的尺寸隨銑刀磨損而明顯減小。(a) X方向(b) Y方向圖6 銑削加工的異形孔實際尺寸1.a. 對照某公司的D型異形孔尺寸公差(X方向：7.658.25mm；Y方向：6.356.85m

11、m)，銑削試驗組5個孔的尺寸變化均在該公差范圍之內(nèi)，符合加工精度要求。b. 表面粗糙度 如圖7所示，采用2刃涂層銑刀加工的異形孔表面粗糙度Ra和Rz分別在0.300.40m和2.33.64m范圍內(nèi)變化；隨銑削時間的增加即銑刀磨損的加大，工件表面粗糙度Rz呈增大的趨勢。 由此可見，若采用四刃涂層硬質(zhì)合金銑刀，同時進一步優(yōu)化銑削參數(shù)以減少刀具磨損，可望直接獲得滿足表面粗糙度要求的異形孔，省去后續(xù)精加工工序，降低成本，提高加工效率。c. 加工表面顯微硬度 圖8為同一銑刀銑削的五個異形孔中的第一和最后一個孔的加工表面顯微硬度的變化情況。如圖8所示，兩個異形孔均出現(xiàn)了加工表層軟化現(xiàn)象(厚度約為60m)，

12、其顯微硬度甚至低于基體硬度。隨著次表層顯微硬度的增加，當(dāng)深度達到約140m180m時，基體硬度恢復(fù)。表層軟化現(xiàn)象可能與導(dǎo)熱性差的鎳基高溫合金加工表層的塑性變形大、溫度高有關(guān)。 隨著銑刀的磨損，切削區(qū)溫度升高，異形孔被加工表面軟化、硬化現(xiàn)象更明顯。圖7 異形孔表面粗糙度與銑削時間的關(guān)系圖8 異形孔加工表面顯微硬度的變化d. 銑削加工效率 在本試驗條件下(見表3)，銑削異形孔中心平面、鉆削中心孔和銑削異形孔三道工序的加工時間分別為1.3min、0.63min和7.58min，加上銑削異形孔兩端圓弧倒角的工時，一個異形孔的總加工時間約為17分鐘。而過去采用電火花和磨料射流兩道工序加工相同的零件，工序時間分別約為40min和6min，總工時為46分鐘。經(jīng)過對比，本試驗采用的銑削加工工藝可減少58%的加工時間，而且所有工序可在加工中心上一次裝夾完成，輔助時間少，大大節(jié)省總工時。2. 由于銑削加工所產(chǎn)生的材料變質(zhì)層厚度遠小于電火花加工所產(chǎn)生的燒傷層厚度，即使在銑削加工工序之后增加磨料水射流加工工序以提高加工表面的完整性，也可使磨料水射流