镍基高温合金零件车削加工
1.现状与问题
在生产加工中，遇到如图1所示零件结构，该零件材料为高温镍基合金Inconel 718，材料标准为AMS5662。
该零件使用φ63.5mm×122mm棒料加工，为减小零件的加工余量，安排粗加工工序先将内孔加工到φ28～φ28.5 mm，再使用数控车床加工，工序步骤如下：粗车外圆、外锥面、端面→ 半精镗内孔 → 精镗内孔 → 精车外圆、外锥面、端面 → 切断。该零件的主要加工难点为外锥面的切削余量大，单边要去除3.5～11.7mm的大余量，由于零件材料Inconel 718镍含量为50%～55%，铬含量占17%～21%，可以看出切削加工性很差，粗车外圆、外锥面、端面时最初分别选用了多种刀片加工，但都是每两个刀片刃部仅能加工一个零件，即在粗车过程中，先将零件外圆、外锥面加工一半，然后更换刀具加工剩余的一半，其余工步加工需每加工2～3个零件更换一次刀具。刀具磨损情况如图2所示，堆积在刀具前面近切削刃处的硬楔块形成积屑瘤，积屑瘤脱落时会引起切削刃破损，由于刀具选择不合理，加工时刀具磨损相当严重，换刀相当频繁，增加了操作者的劳动强度，降低了生产效率。
图2 刀片磨损
2.粗车外圆刀具的选择
根据高温合金的性质及其加工特点，切削时必须选择合适的刀具材料、合理的刀具几何参数、合理的切削用量及切削液使用方法。（1）刀片材料选择 切削高温合金时应选用耐热性好、抗弯强度高、耐磨、导热性能好及抗粘结性好的刀具材料，如硬质合金、立方氮化硼及氮化硅陶瓷等，经过对比试验，选用合适的硬质合金刀具，加工成本较低。选择的用于车削加工镍基高温合金外圆、端面用粗车刀具为SAFETY公司的型号为WNMG080412-M7 9605刀片，该刀片基体材料为亚细晶粒硬质合金，粒度＜1.0μm，合金基体硬度为90～93.5 HRA，表面采用4μm 厚度的TiAlN（氮化铝钛）涂层，带涂层合金表面硬度为2000HV，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、涂层附着力强、摩擦系数小及导热率低等优良特性，适合于高温合金、钛合金及高强度不锈钢的加工。（2）刀具结构及几何参数 高温合金粗车时切削力大，为增强刀具强度，选择了0°前角槽形刀片，刀具后角为0°，刀尖半径1.2mm，刀尖角80°，在保证刀具强度的同时，选较大的主偏角95°,减少主刃切削宽度，增加切削厚度，减少加工表面硬化现象，降低切削刃磨损，提高刀具使用寿命。由于高温合金塑性好、强度高，切屑易卷曲，切屑易缠绕在工件或刀具上，故需在刀片上制造断屑槽进行强制断屑，如图3所示。
该刀片刀尖处有0.2mm宽的刃口，与0°后角形成良好的支撑，增强了切削刃的强度；和刃口紧邻的倒角和圆弧面利于切屑成形和卷曲，因而得到更好的切屑流动并减少摩擦，减少振动和使切削温度降低，从而使工件切削处的切削力和剩余应力减小。
刀尖半径会影响到切削刃强度，粗加工选取大刀尖半径（R0.8mm或R1.2mm）可获得高强度切削刃，并可选择较大的进给量和切削深度，从而获得较高的刀具寿命和高金属去除率。（3）粗车切削参数 在高温合金加工过程中，随着切削速度的增加，切削温度会升高，为避免切削温度过高，应采用较低的切削速度；由于高温合金加工过程中易产生硬化层，为避免切削刃和刀尖划过硬化层，切削深度约为刀尖半径的1/2，外圆、端面粗车参数见表１。
3.精车外圆刀具的选择
（1）刀具材料及结构 精车外圆刀具与粗车外圆刀具的材料相同，但由于切削余量较小，切削力相对较小，为获得锋利的刃口，必须采用较大的前角。增大刀具的前角可减小切屑切离和清除过程中所遇到的阻力，并减小切削热，但前角过大则刀头散热体积减小，切削温度反而升高。实践表明，取前角15°～20°最为合适。
在选择后角时，后角过小容易和工件表面产生严重摩擦，使加工表面粗糙度恶化，加速刀具磨损。并且由于强烈摩擦，加强了高温合金表面加工硬化效应；刀具后角也不宜过大，后角过大，使刀具的楔角减小，降低切削刃的强度，加速刀具的磨损。精加工选择较小刀尖半径可获得较高的表面质量，经试验，选择高温合金精车刀片型号为CCGT09T302-PM29605，为正前角槽形刀片，刀具前角18°，刀具后角7°，刀尖半径0.2mm，断屑槽几何形状如图4所示。
对于镗孔工步，由于在镗孔前已进行钻孔加工，故镗孔仅分为半精镗孔和精镗孔，半精镗选择刀尖半径0.4mm，刀片型号为CCGT09T304-PM2 9605，精镗刀片与精车外圆刀片型号相同。
（2）切削参数 在高温合金加工过程中，半精加工及精加工的切削速度也不宜过高，切削深度不能过高，也不能过低，须在一个合理范围。切削参数见表2。
（3）其他车削要素 对于高温合金切槽、切断和车螺纹等， 也进行了工艺试验，选择了合适的刀具及工艺切削参数，见表3。
4.切削液
切削高温合金时，为降低切削温度，提高刀具耐用度，应使用切削液。选择的切削液应不含硫，以避免在切削过程中造成晶间腐蚀，我们选择了马思特公司型号为TRIM SC310的切削液，该切削液为高油半合成型，PH值为9.6，具有良好的湿润性、冷却性及防腐性能，并含有机械润滑作用的化学表面活性剂，能够满足高温合金的切削及冷却要求。高温合金加工刀具磨损大，故原则上分粗、精加工，以减小切削余量，工艺路线安排如下：下料→ 热处理（按需） → 粗加工 → 半精及精加工 → 去毛刺 → 标印 → 清洗 → 渗透检查 → 清洗 → 检验 → 包装。在加工过程中注意以下几点：1）当设计图中有热处理要求时，在下料后机加前安排热处理工序。2）回转类零件可用钻孔、车削等方法进行粗加工，单边留余量1～2mm。3）零件较大或形状复杂时可用线切割方法进行粗加工，单边留余量1～2mm。4）半精加工及精加工原则上安排在同一设备上进行，选择不同的刀具及切削参数。5）机加工序完成后安排渗透检查工序，以便于检查零件材料是否存在缺陷。
5．结语经过大量的工艺试验工作，对镍基高温合金零件车削加工的全过程进行了工艺研究，选择了合适的切削刀具，摸索出了一套合理的工艺参数，满足了高温合金零件车削加工要求。
文章来自《金属加工（冷加工）》2020年第2期
难切削材料的车削：高温合金的车削、钛合金的车削
高温合金的车削
由于高温合金中含有许多高熔点的合金元素Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等，这元素与其它合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。而具有的元素又与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高的金属与非金属的化台物。使其它的切削加工性变得很差。它的相对切削加工性只有45钢的5～20％。
①切削特点：1)切削力大：比切削一般钢材大2～3倍。2)切削温度高：比切45钢高50％。3)加工硬化严重：切削表面和已加工表面的硬度比基体高50-100％。4)刀具易磨损：易产生粘结、扩散、氧化、沟纹磨损。
②刀具材料：1)高速钢：应采用高钒、高碳、含铝高速钢。2)硬质合金：应采用细和超细颗粒的YG
⑨刀具几何参数：变形高温合金：γ0=10°，铸造高温合金：γ0=0°，一般不搭负倒棱。α 0=10～15°，粗车λs =-10°，精车λs =0～3°，κr=45～75°。
④切削用量：1)高速钢刀具：Vc=3～8m/min。2)硬质合金刀具：Vc=10～60 m/min。变形高温合金：Vc=40～60m/min。铸造高温合金：Vc=7～10m/min。α p和f>0.1mm。
⑤切削液：同不锈钢。
⑥高温合金钻孔：应尽量采用硬质合金钻头或S型和浅孔钻；如用高速钢钻头时，加大2巾，修磨α 0和b，Vc为3 m/min，f为0.2～0.3mm/r；钻头要锋利，磨钝标准为一般钢材的1/2～1/3，最好采用自动进给和不要在切削表而停留。
钛合金的车削：
钛合金是近几十年发展起来的一种新金属，由于它的比强度(σb／ρ=1680／4.5=373，是45钢的4.5倍)高，热强度高(500℃长期工作)、抗腐蚀性好、低温性能优良，而用于航空航天、化工、医疗等。
①切削特点：1)切削温度高：在相同的切削条件下，比切45钢高1倍。2)亲和作用大，粘结严重，在高温时产生粘结现象。3)化学活性大：在高温切削条件下，它与空气中的O、N、H、C发生反应，生成TiO2、TiN、TiH等的硬皮层，给切削带来困难。
②刀具材料：1)高速钢：除普通高速钢外，最好选用高钒、高钴、含铝高速钢。2)硬质合金：YG8、YG6X、YG6A、813、643、YS27、YD15.3)PCD、PCBN天然金刚石。
③刀具几何参数：γ0=5～15°，α 0≥15°。
④切削用量：1)高速钢刀具：Vc=8～12 m/min。2)硬质合金刀具：Vc=15～60 m/min。3)PCD、PCBN天然金刚石刀具：湿切Vc=200 m/min：干切Vc=100 m/min，α p>0.05mm，f>0.05mm/r。
⑤切削液：一股采用乳化液、极压乳化液。精加工时采用极压切削油。
⑥注意：车削细长轴(杆)时，应使用活顶尖和尼龙作跟刀架和中心架的爪托；铰孔时，应用蓖麻油60％＋煤油40％作切削液；攻丝时，适当加大底孔直径