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
新品抢先看｜高温合金车削刀片
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高温合金车削刀片作为G-PAK2021新品季最重磅的产品，针对高温合金加工的特点及难点而研发，适合高温合金轻载加工和中等加工工况。
材料特性介绍
高温合金等难加工材料由于其高强度、低热导率等特点，在切削过程中易出现加工硬化、切削力大、切削温度高等问题，加快刀片磨损，导致刀片寿命短，加工成本高。
牌号系列介绍
GST7100系列牌号作为本次高温合金车削产品的一大亮点，采用全新升级的材料技术，推出优异的膜基结合力、高耐磨性的PVD涂层，搭配高温红硬性的亚微细硬质合金基体，具有良好的加工寿命和稳定性。
加工案例
本案例为套管外圆连续精车加工案例，工件材料为GH4169材质，客户对工件加工表面质量有较高要求，粗糙度要求Ra0.8。在相同工况下，A公司刀具加工9个工件后，刀具后刀面已出现较大磨损，我司刀具加工9个工件后，后刀面仍保持较好状态，我司刀具最终加工寿命为15个工件，性能较A公司同类产品提升66%，获得客户高度认可。
号称最难切削材质的高温合金，被这五种武器攻克了！
高温合金是典型的难加工材料，甚至可以说是各种难切削材料中最难切削的材料。其难加工主要表现在刀具切削加工时切削温度高、切削力大、加工硬化现象严重、刀具易磨损、生产效率低等。因此，高温合金加工刀具是解决高温合金加工难问题的关键所在。
在我们充分认识所加工高温合金材料的性能和切削特点后，合理选择切削刀具与切削条件，是可以很好地完成切削加工的。今天，小编就为大家介绍几款口碑极佳的高温合金加工刀具。
山特维克可乐满
针对高温合金难加工的问题，作为全球刀具行业的领头企业，山特维克可乐满不断地研发新型刀具材质和加工技术以提高高温合金加工的安全性和高效率，新型专利技术和高性能产品也不断推出。
全新陶瓷材质CC6220和CC6230高速加工
航空航天发动机部件必须能够承受极端高温，目前对该需求日益增长，这一温度已经超越了Inconel及其它高性能超级合金的能力极限。粉末高温合金材料可以被特制成能够承受更高温度的材料，但它们比Inconel 718更难加工，加工的效率也极其低下。
全新陶瓷材质CC6220和CC6230开发目的就是加工晶须陶瓷和SiAlON无法加工的难切削材料。它们高切削速度的优异性能有助于降低单个零件成本，在中间阶段加工胜过其它材质。无论是切削速度还是进给，与晶须陶瓷和SiAlON相比，它们在高切削速度时可确保工艺稳定并将生产率提升至新的水平。
CoroMill Plura高进给整体硬质合金立铣刀
全新CoroMill? Plura HFS ISO S已针对镍合金高进给侧铣经过优化；这种可靠的高生产率解决方案适用于困难的铣削工序，例如航空发动机零件。
镍基材料专用全新槽型概念镍基材料的全新材质芯部尺寸经过优化圆角半径设计经过优化对于高温合金的加工，山特维克可乐满已经不满足于单单为用户提供切削刀具，而是提供全方位的整套解决方案，生成全链条的服务，更好的服务于客户。
株洲钻石
株洲钻石在传统PVD涂层工艺的基础上，从多元和多层两方面进行了研究，突破了等离子增强纳米多层调制周期结构PVD技术，优化后YBG102牌号纳米多层结构涂层的调制周期显著降低到纳米尺度。
而对于高温合金的加工，一方面切削加工中特别是车削加工要求良好的耐磨性好，另外耐热合金等材料的加工中产生的热量高，又要求材料具有良好的耐热性能。
因此在基体方面，对于为了高耐磨性要求选择低Co含量的设计，为提高产品的高温抗塑性变形能力采用细颗粒的WC及并添加适量TaC立方相进一步提升高温性能。因此开发出了YBG105，YBG105较YBG102性能提升30%，全面超过和满足现场精加工、半精加工和粗加工要求。
YBG105涂层刀片的结构与产品
YBG系列加工高温合金刀具介绍：
YBG102：PVD涂层牌号，Nc-TiAlN涂层与细晶粒基体结合，适合高温合金的连续精、半精车削加工。
YBG105：PVD涂层牌号，四元系的TIALN纳米涂层，提升刀具的耐磨性，适合高温合金的连续精、半精车削加工。
YBG212：PVD涂层牌号，高耐磨的TiAlN涂层与基体紧密结合，韧性和硬度更高。良好的涂层热稳定性和化学稳定性为切削刃提供更有效的保护。高韧性的超细硬质合金基体，具有良好的刃口强度。适合高温合金的断续车削，及钛合金、高温合金铣削。
伊特纳金属
汽车行业加工零件的竞争非常激烈。大批量典型产品的需求成倍增加，这意味着任何新优势都将带来巨大的回报。以涡轮增压器涡轮壳和排气管为例：这些零件的面铣需要很高的生产效率，质量和产量。由于通常是耐热不锈钢或铸铁工件材料，所以要达成这个目标非常具有挑战性。
但是，伊特纳金属E45铣刀将改变这一切。这是一款专门针对涡轮壳及排气管加工设计的面铣刀，每个刀片共有16个切削刃，该铣刀可缩短单件加工时间，降低刀具成本，可用于所有粗加工和半精加工工序。
伊特纳金属E45系列铣刀可用于所有粗加工和半精加工工序
全球每年生产大约5,000万只(铸铁和不锈钢)涡轮增压器，但是耐热不锈钢（代表材料牌号为1.4848，1.4837，1.4826）涡轮壳的加工成本可能会高达传统材料的20倍。这主要是因为在加工这种材料时，刀片磨损极不均匀，刀片寿命也往往非常短且不稳定。
涡轮壳及排气管制造商面临的另一个挑战是这些零件都具有形状复杂的薄壁结构，这将导致夹具结构复杂，加工过程极易产生震动。
为了解决这些问题，除采用一些标准刀具和应用知识外，伊特纳金属针对涡轮壳及排气管铣削工序研发了定制刀具解决方案。
涡轮增压器V槽加工，由于复杂的结构、工装干涉及难加工材料等因素，刀具费用居高不下，远远超过了涡壳面铣刀具成本。占据了整个涡壳刀具费用的20%以上。
伊特纳金属结合欧美实践经验及实际工况，全新研制了E25系列勾槽刀具，保留原有定位方式及安装尺寸，耐热性能极好的硬质合金基体与先进的涂层结合，新增刀片内部冷却及强制断屑冷却系统（专利申请中），切削温度得到有效控制，实现粗精一体（全尺寸）；
实验证明，伊特纳E25勾刀与传统基体材料及传统的冷却方式相比，线速度可提高30%，寿命提高150%~300%。
松德刀具
松德公司推出的可换刀头式高温合金快速铣刀，进行了针对的设计，使得产品的切削效果和寿命达到并超出了欧美的一流品牌！
快速铣刀又叫做高进给铣刀，其原理是通过端齿的形状设计，减小铣刀的径向切削力，适当增加铣刀的轴向切削力，从而利用硬质合金抗压强度高的特性，来达到快速去除加工余量的目的。
特点和优点：
1)采用可换头结构，更换刀头后不用调整直接加工，换刀效率高；
2)采用超细颗粒硬质合金棒料，兼顾强度的同时仍具有较高的刀具耐磨性；
3)专用刀具涂层来达到最好适应性；
4)针对性的角度及刃形设计，在保证具有高强度的同时仍有锋利的角度来减小加工硬化带来的影响；
5)在五倍及以上悬伸的情况下，仍能进行有效的切削加工。
加工案例：
（1）零件： INCONEL718时效处理（HRC42）
（2）刀具：φ10可换头快速铣刀
（3）机床 ：哈挺立式加工中心
（4）加工参数： Vc=50m/min Ap=0.8mm Ae=10mm f=0.2mm/t
（5）加工寿命： 连续加工25分钟
京瓷
说起最难加工的高温合金材料，我们也绕不开还有一种常见的难加工材料——复合材料。复合材料的切削刀具加工有别于一般金属材料，一般是由多种材料组合而成。碳纤维（CFRP）就是典型的复合材料。因此，我们以碳纤维为例谈一谈京瓷对于CFRP加工的解决方案。
CFRP因其独特的性能，广泛应用于航空航天、军事、赛车、医疗等领域，这种材料的切削刀具有别于与以往的金属加工刀具。CFRP是由纤维和基体多层交错结构，其硬度、强度高，在切削过程中经常有撕裂、毛刺、分层的现象产生，因此切削刀具必须具有良好的耐磨损性和抑制纤维过渡断裂的发生功能。
应用案例
下图是一个实际的加工案例，从图中可以看到采用常规刀具加工一条槽，槽的下表面发生了很明显的毛刺翻边现象。
解决对策
京瓷SGS高性能复材加工刀具—Series29系列，这是一系列铣刀分为三种：无端刃型、铣刀端刃型、钻头端刃型。
多刃和正角结构设计在剪切时克服了被加工材料中纤维断裂和基体剪切的抗力，独特的间隙磨削使刀具径部与工件之间的接触可降到最低，因此可效避免切屑对前刀面的摩擦阻力以及后刀面与被加工表面间的摩擦阻力。