鎳基合金材料的銑削加工切削參數分析

引言

在鎳基合金材料的加工中，我們重點需要關注的有這樣幾個問題：①切削力比45#鋼高50%左右，加工后表面層的加工硬化及殘余應力大，刀尖及邊際磨損極其嚴重。②導熱系數差，切削溫度高。③與刀具的粘結傾向大，極易產生積屑瘤，影響被加工表面的加工質量。④合金中金屬碳化鎢、金屬間化合物等硬質點，對刀具產生嚴重的硬質點磨損。

1、鎳基合金加工案例說明

針對于鎳基合金的加工性能和應用性能，在工廠實際加工過程中，為了實現工件的更好密封作用，同時保證密封部分不受腐蝕，在工件的側面密封板中焊接鎳基合金材料，既達到密封的作用，又達到防腐的效果,主要是防止硫化氫腐蝕，提高密封板的抗硫效果,同時能夠承受140MPa的壓力。焊接完成后，需要對焊接好的鎳基合金部分進行切削加工，已達到零件的使用要求，在加工過程中，通過修正實驗數據，重點從刀具的選用、切削用量的選擇、刀具軌跡的變更、其他輔助加工條件的改變等幾個方面研究鎳基合金的加工過程，最終形成合理的加工參數，為鎳基合金材料的進一步應用打下良好基礎[1]。

實際加工的樣例工件如圖1所示。在加工過程中，考慮到加工成本，加工效益，企業實際情況等，主要從刀具、切削用量、刀具軌跡、加工條件等幾個方面進行試驗，得出實驗數據。

2、刀具的選用

在選擇加工鎳基合金加工刀具時，首先我們要了解到鎳基合金的加工要求加熱溫度應該高于900℃，溫度過低會造成晶粒粗大，失去材料的抗高溫及抗蠕變性能。目前可以應用加工鎳基合金材料的刀具主要有硬質合金、陶瓷、CBN等，考慮到企業加工成本，更多的采用硬質合金刀具進行工件的銑削加工。首先我們采用普通的涂層硬質合金刀具對零件進行加工，如圖2所示，雖然是進口材質，但刀具耐用度較低，磨損嚴重，刀具出現了嚴重的破損，如圖3所示，雖然多次修改切削用量等參數，效果不明顯，經過多次實驗檢測，如圖4所示，根據鈦合金的加工特點，選用與鈦合金親和力小，導熱性能良好的、強度高的細晶粒鎢鈷類硬質合金，最終選定山高JHP780材質的硬質合金立銑刀，效果較好[2]。如圖5所示，這種刀具兼具排屑和良好剛性雙重需求，前角較小，后角采用了雙后角的處理，比切普通鋼的大，刀尖部分采用圓弧過渡刃，刀刃的粗糙度較小，保證了排屑流暢，適合完成高溫合金的高性能加工。

3、切削用量的選擇

在切削用量的選擇上，結合鎳基合金的加工特點和所選用刀具的基本特點，主要從切削溫度、斷屑排屑、產生加工硬化幾個方面考慮，對切削加工參數進行修訂，降低機床轉速，也就是降低切削速度，選擇較大的被吃刀量，合理的進給量，進給量過大易引起刀刃的燒損，進給量過小時，將因刀刃在加工硬化層工作而磨損過快[3]。

3.1　切削速度的選擇

直徑14mm的硬質合金立銑刀，轉速選擇600r/min，根據切削速度的計算公式V C=πdn /1000，可以得出大概地切削速度為26.376m/min，略高于刀具參數參考值，相對于切削普通鋼材，同樣的刀具我們可以選擇2000r/min，可以得出切削速度為87.92m/min。我們在選擇切削速度上基本上是普通切削的二分之一。

3.2　進給量的選擇

直徑14mm的硬質合金立銑刀，在加工普通鋼材時進給量可以選擇2000mm/min，在加工鎳基合金材料時，為了保證刀具的耐用度，選擇250~300mm/min，大概為普通切削加工進給量的八分之一。

3.3　吃刀量的選擇

為了保障排屑和盡量減少切削加工硬化，選擇較大的被吃刀量，主要提高刀具的耐用度，減少刀具的磨損。本例中選擇被吃刀量1.5mm，加工后的鐵屑狀態如圖6所示。

不同被吃刀量、進給量組合時的切削速度選擇如表1所示。經過對切削用量的調整，雖然加工時間較長，但大大提高了刀具的耐用度，原來加工一個工件需要3~4把刀具，經過改換刀具和調整切削用量，可以達到一把刀完成一個工件的加工。

4、刀具軌跡的調整

本例中加工的是一個環形的跑道型封閉型腔，加工過程中遇到的最大的問題就是不便排屑和加工硬化，為了提高加工過程中的排屑效果和避免嚴重的加工硬化，提高刀具的耐用度，對刀具軌跡進行了修正，將原來普通的環形行切軌跡，改成現在流行的MasterCAM動態銑削加工，更多的采用側刃切削，減少刀具端齒的磨損，動態銑削加工軌跡既方便了排屑又最大程度減輕了加工過程中的加工硬化，同時提高刀具的耐用度，充分利用了所選擇刀具的特點[4-5]。

兩種不同刀具軌跡的加工效果對比圖如圖7、圖8所示。

5、其他加工條件設置

除了在以上幾個主要方面進行了改進和探索外，在實驗的同時，對影響加工的一些輔助工藝也進行了改進：

①選擇冷卻效果更明顯的冷卻液以保證刀具的耐用度。②選擇剛性更好的專用夾具代替通用夾具，以提高裝夾的穩定性，以減少硬質點對刀具的磨損。③加工過程中及時清除鐵屑，避免堵屑加劇刀具的磨損。④根據刀具的使用情況，及時合理調整切削用量的選擇，以保證工件的加工質量穩定性。

6、結論

通過對鎳基合金材料的加工實驗，可以看出，鎳基合金的加工主要難點在于如何提高刀具的耐用度，如何保證工件的加工質量，尤其是表面質量，經過選擇合理的刀具、選擇合適的切削用量、針對本例選擇合理的走到路線，以及其他加工條件的合理處理，最終實現鎳基合金工件的小批量生產加工，在不改變加工時間的情況下，大大提升了刀具的耐用度，保證一個工件由原來的3把刀提高到一把刀完成，同時提高了加工質量，保證了工件加工的完好率，最終達到了理想的加工效果。

參考文獻

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[3] 潘苗苗,高振桓,鞏秀芳,隆彬,楊功顯,宋小龍.鎳基鑄造高溫合金Mar-M247的高溫氧化行為[J].鑄造,2020,69(8):797-802.

[4] 張雷,劉昕穎,蘇曉陽.超臨界機組水環境下金屬材料研究進展[J].科技風,2020(20):139.

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