关于高温合金锻模模具的加工策略
文 / 程仙红·江W景航航空锻铸有限公司模具厂
锻模模具在机械制造行业的应用非常广泛，而高温合金锻模模具的加工工艺本身就是一项难度系数相对较高的工作，若想提高锻模模具的加工效率更是需要一定的技能改革与创新。本论文以高温合金锻模模具的加工为例，对相关概念进行阐述，在分析传统锻模模具加工工艺弊端的基础上研究加工刀具选择及切削参数设置，通过实验分析，确定最佳的切削工艺参数组合：切削速度、切削深度、切削宽度、进给量，给出相应的高温合金锻模模具加工的策略，为后续的生产加工解决难题，减低刀具使用成本，提高加工效率，为高温合金材料模具的加工找到最佳工艺参数，编制优化工艺流程。
相关概念阐述高温合金
高温合金是一种抗氧化与抗腐蚀性强的金属材料，能够在900℃以上的高温下进行工作，这种金属材料以铁、镍、钴为基础，抗疲劳性强，具有一定的组织稳定性与使用可靠性。目前，高温合金材料被广泛应用于航空、航天、石油、化工等领域。高温合金主要包括以下六种类型：变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金、氧化物弥散强化合金、金属间化合物高温材料、环境高温合金。本论文主要研究锻造高温合金模具的加工。
铸造高温合金模具通常情况下是指只能通过铸造的方法成形的一种高温合金。铸造高温合金的主要特性包括：
⑴切削力大，高温合金含有许多高熔点金属元素,构成组织结构致密的奥氏体固溶体，合金的塑性好，原子结构十分稳定,需要很大能量才能使原子脱离平衡位置，因而变形抗力大。其切削力是普通钢材的3～5倍，这就增强了对机床刚性和刀具刚性、锋利程度的要求。
⑵加工硬化倾向严重，由于切削温度高,基体组织中强化相析出，造成表面硬化，这些析出的硬质点在切削过程中会引起刀具剧烈的磨损。同时，在高温下 刀具与工件之间的亲和作用易造成刀具与工件粘附。
⑶切削温度高，切削时,塑性变形严重 ，刀具与工件、切屑之间存在着强烈的摩擦，产生出大量的切削热，又因高温合金导热性差，导热系数是45#钢的（1/5～1/2),故使变形区的切削热高度集中于狭小的切削区域内，造成1000℃以上的高温，这样的高温必然导致扩散磨损和氧化磨损。同时，也会导致刀具和工件的变形，进而影响工件尺寸精度。
锻模模具
锻模模具主要是指金属在热态或冷态的状态下进行体积成形的过程中所用的模具的总称。由于金属体积成形的形状不尽相同，所以锻模模具的结构也不尽相同，本论文主要研究高温合金等温精锻模具，此类模具具有以下特点：结构复杂、高精度、高硬度、高强度、低导热率、低塑性和高塑性、有硬质点和硬夹物。此类材料的切削过程符合金属切削的一般原理与规律。但是，此类模具在切削过程中也存在一些显而易见的劣势，切削力大，切削温度高；加工硬化严重；容易出现黏刀现象和高硬质点的摩擦现象。本文将针对以上状况，从工艺与生产两方面入手，寻求高温合金锻模模具加工工艺效率的提高，整合与优化加工工艺路径。
高温合金锻模模具传统加工的分析模具加工工艺问题分析
高温合金模具加工是本单位初次接触，根据对模具材料与结构的分析，参考普通锻模模具的加工工艺，编写了模具加工工艺流程如图1所示。
图1 模具加工工艺流程
⑴钻工。钻螺孔、沉孔及导柱孔，在钻孔过程中由于材料特性，普通钻头无法实施钻孔，遇到硬质点更无法加工，更换合金钻头后，加工也非常困难，仅两个φ 50mm的导柱孔就加工了40小时，比普通材料同等直径的孔加工多20倍。
⑵铣工。铣上下面及基面，由于没有使用冷却方式，造成刀具严重。
⑶数控铣。铣型槽、毛边槽、钳口、阻料沟及48mm×48mm×26mm的方形沉台，由于数控铣转速达不到高速旋转的要求，出现加工型槽及阻料沟，采用小直径刀具时无法提高加工速度，影响了加工效率。
⑷钳工。由于没有合金铰刀，钻导柱孔无法保证配合精度，导致钳工花大量时间修配导柱孔，而且由于数控铣加工的型槽表面质量较差，钳工修型槽时间所需工时也很多。
⑸油模工。由于高温合金材料的特性，油石无法油研型槽。
由于对模具结构及材料的了解不够细化，没有通过对模具造型分析模具的整体结构，了解模具的尺寸精度，没有意识到高温合金锻模模具的加工是一项技术性强，难度高的工艺，导致模具工艺编写不合理，影响了加工质量与加工进度。
刀具选用问题分析
最初采用的是普通钻头，钻头磨损很快，修磨一次钻头，钻孔深度仅5mm，造成人、机疲劳，严重影响加工效率。铣刀主要用可转位刀（牛鼻刀）去除粗加工余量，半精加工与精加工用球头刀；采用的是国产株洲普通硬质合金刀片（YD05），每粒刀片加工时间约10min，既费刀片，效率又低。
加工参数的问题分析
由于初次接触高温合金模具的加工，对材料特性不了解，刀具的频繁更换，导致各工序的加工参数调试时间过长，影响了加工质量与加工效率。
高温合金锻模模具优化后加工工艺的分析铸态高温合金锻模模具结构的分析
传统的高温合金模具的加工缺乏对模具结构进行详细的分析，了解各个零部件之间的尺寸与构造，对模具结构尺寸掌握不精细，无法深入理解模具的设计意图与工艺性能，以图2所示的模具模型为例，对其尺寸与构造进行分析，根据锻模模具的加工参数，确定模具加工工艺的尺寸并进行相关的实验。通过对模具结构的分析，结构比较复杂，成形部分由上下模块组成，有两个导柱孔、四个螺丝沉孔、Bi型槽、过桥上有R1.5mmx2的阻尼沟，加工难度非常大。
图2 模具结构图
模具加工工步的实验分析
通过对第一块模具加工的经验总结，对加工工艺路线进行了优化，各工序的加工内容有所变化，分工更合理，并且增加了电加工工序，取消了油模工，具体加工工步图如图3所示。在模具正式加工之前，可以先利用VERICUT软件事先对模具加工工艺进行实验仿真模拟，以便于在实际加工的过程中发现问题、寻找不足。
图3 加工工步图
提高高温合金锻模模具加工效率的策略分析设置加工策略
工艺路线的安排，重点体现在以下四方面：
⑴钻孔是模具加工难度最大的工作。先由数控确定孔的中心位置，钻好中心孔，为了提高加工质量，导柱孔可先钻φ 35mm的荒孔，再由数控铣加工至尺寸，为后序钳工配导柱节约了时间。
⑵加工高温合金时吃刀抗力大，故机床、刀具、夹具必须具有足够的刚性，尤其是粗加工，首先考虑普通机床加工。普通铣床主轴刚性好，可使用直径比较大的盘铣刀，因此上、下模垫块及上、下模块的上下面先由普通铣床去除余量，单面留1mm余量，再利用数控铣床上进行精加工。这样可以有效的提高加工效率（表1）。根据模具尺寸的要求分模面见光即可，将余量留在底面，加工型腔时在分模面对刀保证型腔深度。
表1 铣工与数控铣加工上下面的对比
⑶主要工序是数控加工，合理的安排数控铣与雕刻机分工合作，先由数控铣将顶杆孔、导柱孔、毛边槽及钳口加工到位，再将型槽及阻尼沟转至雕刻机上进行加工，利用雕刻机的高速切削功能，加工复杂型槽与R1.5mm的阻尼沟比数铣加工，效率可提高5倍，而且加工精度及表面质量远比数控加工好。
⑷已经钻过通孔的48mm×48mm×26mm的方形沉台，选用电脉冲加工是最佳选择，避免数控铣小刀清角；同时取消了油模工工序，采购抛光轮由钳工抛光，加工工艺的优化大大提高廖瑞加工效率。
选用合理的切削参数
根据高温合金的性能和切削过程中的特点，加工时应考虑以下几个方面:
⑴切削参数。在切削高温合金时切削速度与刀具耐用度的关系具有较明显的驼峰性，切削速度过高或过低时刀具磨损均较快。一般采用低转速、小走刀量、大的削深度加工（表2）。
表2 数控铣和雕刻机的加工参数
⑵刀具几何参数。一般刀具前角应略小（0～10°），后角应较大（10°～15°），主偏角应尽可能小些（45°～75°），原则是选择较小前角、较大后角、较小主偏角的刀刀片。为避免刀尖烧损和崩刃，刀尖采用圆弧过渡；钻头使用全合刃金钻头，相比普通钻头效率提高了50%。
⑶数控铣刀采用进口钨钴类硬质合金刀具。瑞典山特维克（HIP）和日本三菱（HTi20T），此两种硬质合金刀片具有高硬度和耐磨性，耐热性和导热性较好，而且有较好的抗粘结性。刀片选用时刀口不能有崩刃、裂纹、缺口，刀具要锋利。
⑷加工高温合金时，不论何种切削，都必须连续不断地加注冷却润滑液，严禁加工中断流忽冷忽热而造成刀具崩刃，采取柴油加机油混合冷却（比例10：1）。
优化数控加工程序
优化数控加工程序及走刀路径方式，主要从以下五个方面进行改进。
⑴利用VERICUT软件进行夹具建模，在模拟中能明确看出是否有碰撞或过切现象。
⑵粗、精铣加工程序分开，粗加工用数控铣床程序，精加工用雕刻机程序。
⑶加工毛边槽选用偏置区域清除策略加工，精加工导柱孔则选用最佳等高策略加工，铣阻料沟选用R1.5mm的成形球头刀沿沟槽中心轮廓加工。根据不同结构、不同精度要求选用不同的加工策略，这样既能保证模具加工质量，又能提高加工效率。
⑷调整加工参数，不同的刀具、机床选用不一样的加工参数（表2）。
⑸根据型槽结构分段采取不同的加工路径方式，由平行加工三维偏置加工及等高加工等几个方式组合而成。
加工中应注意的事项
由于此材料加工硬化倾向严重，所以最后一刀切削深度要不小于0.1mm，且所有的切削加工工序都要求实现均匀的切削进给，避免手动进给。在切削过程中，不允许刀具中途停顿，以免加剧刀具磨损。对于有型面要求的零件，成形刀无法直接加工成形，应尽可能使刀具在数控机床上按设定的轨迹进行加工，或先用一般刀具进行粗加工，最后留少许余量用成形刀精加工，以保证型面要求。
加工效果对比
同等结构的模具加工工时由原来的321小时缩短至225小时（图4），提高了加工效率，缩短了制模周期。
图4 优化前后对比
高温合金模具加工工艺的拓展
针对铸态（K403）高温合金材料通过现场加工实践、对比，将机床、刀具等多种相关因素固化，得出一组可指导现场实际加工的有效参数。参考以上总结的参数，后期连续加工了三套不同结构的圆锥形挤压模模具（图5），增加了车工工序，总结出了车削加工参数（表3）及刀具前角、机床转速和切屑用量对刀具耐用度的关系（图6），并保证了一次试模合格。
图5 高温合金挤压模
表4 车削参数
图6 刀具前角、机床转速和切屑用量对刀具耐用度的关系
结束语随着新材料、新工艺技术的不断创新发展，加工模具或零件将向高品质、高效率的方向发展，考虑集成加工时所有影响加工的因素，使得切削参数高度集成化。在不久的将来，通过我们加倍的努力，模具和零件加工行业不断发展壮大，切削技术将更上一个台阶。
作者简介程仙红
模具厂工艺室主任，工程师，主要从事锻模设计与加工，数控加工程序的编制。主持攻关高温合金等温精锻模具的设计与加工，拥有一项实用新型专利。
——文章选自《锻造与冲压》2022年第17期
镍基高温合金的10种铸造工艺
镍基高温合金的10种铸造工艺10大镍基高温合金的铸造工艺秘籍
【沙型铸造】这个传统工艺用沙子制作模具,可以灵活地生产出各种复杂造型的大型金属零件。不仅制造成本低,而且模具重复使用,大大提高了生产效率。从汽车到航空航天,这种铸造工艺在各行各业广受青睐。
【压铸】这个高精密工艺将熔融金属(通常是铝或锌)在高压下注入精密模具中,可制造出极其精准、表面光滑的零件。凭借严格的温度和压力控制,压铸确保了产品质量的高度一致性。
【失蜡铸造】这种古老而精湛的工艺始于工匠们手工雕塑蜡质模型,经过层层陶瓷涂层强化,最后熔掉蜡模留下完美的金属铸件。每一件作品都蕴含着工匠们的艺术气息和专业功力。
【消失模铸造】这种创新工艺使用了泡沫模型代替传统的蜡质模型。泡沫模型经过耐火材料涂层后,在熔融金属浇注时会汽化消失,留下精确的腔体。这种工艺不仅提高了精度,还大幅提升了效率。
【离心铸造】该工艺制造圆柱形零件,将熔融金属倒入高速旋转的模具中,离心力促使金属均匀分布填满整个腔体,确保零件的完美成型。这种工艺展现了金属加工中艺术与科学的完美融合。
【连续铸造】这种工艺可连续生产金属带、棒材和管材。熔融金属连续注入水冷模具,快速凝固成型,保证了高效、稳定的生产。这种技术在金属加工行业广受青睐。
【真空铸造】这一创新工艺在严格的真空环境中进行铸造,可制造出最高标准的零件,几乎无任何气孔缺陷。从精确温控到细致冷却,每个步骤都经过精心设计,确保产品质量达到最高标准。
【低压铸造】这种高效工艺采用精密控压将熔融金属注入模具。通过调节压力,可实现出色的尺寸精度,并轻松制造大型复杂零件。与传统铸造相比,这种方法可大幅减少缺陷,提高表面质量。
【壳模铸造】也称"shell molding"，该工艺通过将沙子和树脂混合制成壳状模具,再经加热固化。这种方法适用于生产中小型零件,能够确保尺寸精准、表面光洁。广泛应用于汽车、航空和消费品领域。
【挤压铸造】这种高度专业的方法结合了铸造和锻造的优点,可生产出具有卓越强度和密度的零件。在金属凝固过程中施加强大压力,可以消除气孔,确保紧密致密的金属结构。这种工艺广泛应用于需要特殊性能的重要领域。
总的来说,这些先进的铸造工艺为制造商提供了多种选择,可根据具体需求灵活应用。无论是追求精密度、表面质量,还是机械性能,都能找到合适的铸造方式。这些技术为各行业生产出高质量的金属零件做出了重要贡献。我们应该密切关注这些工艺的最新发展动态,充分利用它们带来的制造优势。
10大镍基高温合金的铸造工艺秘籍
除了上述主流的铸造工艺,业界还在不断探索新的技术,以满足更高端的制造需求。比如电子束熔炼技术、激光熔炼技术等新兴工艺,都为镍基高温合金的精密成型开辟了新的可能。
电子束熔炼采用高能电子束聚焦熔化金属粉末,可精确控制金属的熔融和凝固过程,生产出极致的金属结构和性能。这种工艺能够制造出复杂造型的零件,同时确保极高的尺寸精度和表面光洁度。它在航空航天领域得到广泛应用,为高端装备提供关键零部件。
而激光熔炼技术则利用高能激光束扫描粉末层,逐层熔融凝固,最终构建出所需的三维金属构件。这种数字化、自动化的制造方式,不仅缩短了产品开发周期,而且能够实现零件定制,大大提高了生产灵活性。对于一些结构复杂、材质特殊的高温合金件来说,激光熔炼无疑是一种高效的制造解决方案。
与传统铸造相比,这些新兴技术在精度、复杂度和灵活性等方面都有着显著优势。它们不仅提升了生产效率,更能满足高端装备对零部件性能的苛刻要求。可以说,这些前沿工艺正在推动着镍基高温合金的制造水平再上新台阶。
未来,我相信这些新技术必将与现有的铸造工艺形成有机结合,共同为各行各业提供更加优质的金属零部件。只有紧跟技术创新的步伐,我们才能在激烈的市场竞争中占据优势地位,满足客户日益苛刻的需求。作为一个行业从业者,我对镍基高温合金的制造前景充满信心和期待。
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高温合金锻件工艺有哪些，看完你就会【今日更新】
高温合金锻件工艺有哪些，高温合金锻件因其在高温环境下的优异性能而在航空、汽车等领域得到广泛应用。接下来和蒂慕科小编一起来看看高温合金的锻件工艺吧。
高温合金由于添加大量的合金元素，在提高耐热性的同时，却大大地降低了工艺塑性。高合金化使铸锭产生严重的偏析，生成粗大的柱状晶。在初生枝晶晶界薄弱环节处，往往容易沿晶界产生裂纹。因为存在枝晶偏析，先结晶部分合金元素含量低，后结晶的枝晶边缘部分合金元素含量高，故碳化物和金属间化合物集中在枝晶边缘部分，从而降低合金的可锻性。
高合金化使高温合金棒材的塑性较普通合金钢大大下 降。因为大量的合金元素富集于晶界区域，导致高温时晶界强度低于晶内强度，同时许多强化相质点在变形温度范围内并未全部溶入固溶体内，如碳化物和硼化物等，使得参与变形的除γ 外 还有强化相，即变形不是在单相状态下进行，因此高温合金轧棒的工艺塑性也比较低。因此，在制定高温合金锻造工艺规程时，首先要测定合金的工艺塑性。
一、确定高温合金变形温度的原则
由于高温合金合金化程度复杂，合金的初熔温度下降，再结晶及强化相溶解温度提高，导致变形温度愈来愈窄。所以，确定变形温度时，除了确保工艺塑性，满足成形外，还必须满足获得良好的组织和性能。为了使高温合金锻件组织中保留胞状位错网络，获得细小均匀的晶粒和良好的性能，锻造变形温度应低于晶粒长大温度，终锻温度应接近（略高于）第二相质点溶入固溶体的温度和再结晶温度。
二、高温合金的加热规范
高温合金加热分预热和加热两个阶段进行。为了 缩短高温合金在锻造加热温度下的保温时间，避免晶粒过分粗化和合金元素贫化；同时，为了减少因高温合金导热性差、热膨胀系数大而产生的热应力，锻前毛坯应经预热。预热温度为750～800℃，保温时间以0.6～0.8min/mm 计算；加热温度一般为1100～1180℃，保温时间以0.4～0.8min/ mm 计算。
三、加热设备可选用电阻炉，配以测温仪表和自动调 节控温装置，以便精确控制。当选用火焰炉时，应严格控制燃料中的含硫量：柴油或重油中的含硫量应低于0.5%；煤气中的含硫量应低于0.7g/m3。燃料中的含硫量过多,当其渗入毛坯表面后，会形成Ni-Ni3S3 低熔点（≈650℃）共晶，使合金产生热脆。
四、高温合金精锻时的加热，必须采取少、无氧化的加 热措施，避免毛坯表层产生铬、铝、钛等元素的贫化，降低合金的疲劳强度和高温持久强度。毛坯预锻时可采用局部感应加热。 加热前， 毛坯需经过清理， 去除污垢， 避免因受腐蚀而形成表面缺陷。在用多火次锻造时，锻造加热温度应随两火之间 间隔时间的延长而降低， 避免已发生静态再结晶的晶粒长大，同时，再加热温度也应随着愈接近锻件成品，变形量愈小而愈低。
五、高温合金锻件工艺
1.挤压工艺
挤压是另一种常用的高温合金锻件加工工艺。在挤压过程中，高温合金材料被挤压成所需的形状和尺寸，同时受到高压高温的作用。挤压工艺可以提高高温合金材料的塑性和韧性，减少材料内部的裂纹和缺陷。
2.拉拔和轧制工艺
拉拔和轧制工艺是高温合金锻件加工中的另一种方法。在拉拔过程中，高温合金材料被拉伸成所需的形状和尺寸；而在轧制过程中，高温合金材料被轧制成所需的形状和尺寸。这两种工艺可以使高温合金材
3.旋压工艺
旋压是高温合金锻件加工中的一种特殊工艺。在旋压过程中，高温合金材料被旋转并压缩，形成所需的形状和尺寸。旋压工艺可以提高高温合金材料的强度和硬度，减少材料内部的裂纹和缺陷。
蒂慕柯金属制品（上海）有限公司成立于2004年，专业从事国内外中高端金属材料的研发，生产加工及销售；产品涵盖铝合金、不锈钢、合金钢、特殊合金、铜合金等各类金属材料。公司与多家材料研究所以及知名材料厂，建立了长期的材料研发和生产合作,擅长于航空航天及半导体铝合金、高端特殊合金等金属材料的解决方案及综合应用的开发。
了解和掌握高温合金锻件的主要加工工艺，如锻造、挤压、拉拔、轧制及旋压，对于提高锻件加工质量和效率具有重要意义。