瓦尔特：高温合金的加工，进给率堪比铝合金
航空工业的大量订单给发动机制造商及其供应商的能力带来了巨大压力。因此，减少零件加工时间将受益匪浅。对于高温合金，硬质合金铣刀的切削速度约为50米/分。陶瓷铣刀提供了一种不同的方法：其切削速度可达1,000米/分。
瓦尔特的产品包括两个系列的陶瓷铣刀：具有通用槽形的MC275适用于大多数应用场合；MC075为高进给铣刀。两种产品系列（见图1）均可提供8～25毫米的切削直径。直径为8～12毫米的刀具可作为整体铣刀使用，而直径为12～25毫米的刀具可作为ConeFit铣刀使用。在这两种情况下，只有刀具的头部由陶瓷制成。该刀头钎焊在硬质合金接柄或碳化物ConeFit基体上。原则上，整个铣刀可以由陶瓷制成，但是硬质合金接柄增加了刀具的强度和阻尼。与整体式陶瓷刀具相比，其悬伸长度更长，材料去除率更高。
图1：陶瓷铣刀和ConeFit陶瓷铣刀
（图文说明：具有通用槽形的MC275陶瓷铣刀和具有高进给槽形的MC075陶瓷铣刀作为立铣刀和标准系列的ConeFit解决方案。 ）
陶瓷切削刀具材料的应用范围包括ISO S组中的镍基、钴基和铁基耐热合金。例如典型的合金有Inconel 718、René? 80、Nimonic? 80A、 Haynes? 556?、Mar-M-247?和Stellite? 31。这些高温合金（HRSA）是飞机发动机高温部分的首选。
陶瓷切削刀具材料可定制用于铣削应用。与晶须增强陶瓷相比，SiAlON陶瓷更耐温度波动。正因如此，它们成为铣削加工工序的理想选择。断续切削导致切削刃上的温度变化，并且冷却介质的使用可以进一步增加温差，从而产生热冲击效应。因此，瓦尔特建议在使用陶瓷铣刀加工高温超合金时，采用干式加工。用户得到的另一个好处是，由于不适用冷却润滑剂，加工作业环保，经济实惠。
使用陶瓷刀具铣削镍基合金时磨损的主要原因是由温度和积屑瘤引起的化学磨损。虽然化学磨损或扩散磨损持续削弱切削刀具材料，但是由于在切削刃上堆积而引起的磨损是不可预测的，并且会出现突然增加。由于加工温度高（见图2），以及高温超合金的韧性高，即使在高温下（例如Inconel?718；750℃时Rm = 880 N/mm2，），刀具上会有大量积屑。这些积屑可熔化到切削材料的表面上，并且在移除时，使陶瓷部分被削掉。刀具上的积屑瘤详见图3。即使加工HRSA所产生的高温对刀具寿命有负面影响，但这是必需的。这是降低材料硬度并提高加工效率的唯一方法。
图2：Inconel? 718 – ?用MC275铣槽
（图文说明：MC275陶瓷铣刀，用于Inconel?718的槽铣，切削速度为670米/分。生产效率和金属去除总量明显高于硬质合金铣刀。）
切削参数由切削刀具材料和需要加工的材料确定。脆而耐热的切削刀具材料可在高温下使用，但是低冲击强度要求0.02～0.05毫米的每齿低进给率，全开槽工序ap = 5％Dc的小吃刀量和最大切削刃长度的轮廓铣削的ae = 5％Dc。其例外情况是，具有高进给槽形的MC075，其中ap≤apf时，fz = 0.15毫米。两种产品的切削速度均在400～1000米/分。
具有硬质合金切削刃的铣刀与具有陶瓷切削刃的铣刀的结果不可能相差很大。图3所示的磨损照片显示了陶瓷铣刀仅用于粗加工的原因。磨损迹象（例如切削刃上的切屑和宽度超过0.5毫米的磨损痕迹）只是表明硬质合金铣刀的使用寿命快要结束，并不是停止使用陶瓷切削刀具的理由。通过对切削参数进行比较，也可清楚地看出两类刀具材料之间的差异。例如，对Inconel?718全开槽所用的直径为10毫米的立铣刀进行比较（见图7中的表格）：尽管使用碳化物的切削深度较大，但是使用陶瓷的进给率大得多，这种优势是无可比拟的。在这种情况下，使用陶瓷切削刃的金属去除率在56％以上。此外，使用陶瓷铣刀去除的金属总量比硬质合金铣刀高180％。就金属去除率和每个刀具寿命中去除的金属总量参数而言，陶瓷比碳化物具有明显优势。使用相同的机床，加工时间更短，加工批量更大；用户可以选择配置其现有机床，从而可使用更少的加工中心。总加工量大，刀具成本低。
图7：硬质合金与陶瓷的比较
（图文说明：比较结果表明，与硬质合金铣刀相比，采用陶瓷铣刀切削速度高很多，金属去除率更高，金属去除总量更多。）
镍基合金部件加工的经典案例是飞机发动机的整体式涡轮叶盘。此旋转整体部件是一个具有大量叶片的盘。使用硬质合金铣刀，通过粗加工，可铣出叶片之间的空间。加工时间约30分钟。具有高进给槽形的MC075陶瓷铣刀可在10分钟内切出相同的空间。对于这种应用，它在硬度为44HRC、抗拉强度为1400 N/mm2的耐热镍基合金中实现了9500 mm/min的进给率。这些进给速率值通常用于加工铝，而不是镍基合金。
虽然陶瓷刀具提供了极好的加工机会，但是值得考虑的是，陶瓷铣刀达到的高加工温度是否会导致材料的损坏。由于陶瓷刀具仅用于粗加工，所以唯一需要保证的是，材料损坏的深度小于精加工的偏差。与位于德国亚琛的Fraunhofer IPT公司通力合作，我们测量了硬化的深度和范围 - 针对具有不同磨损水平的陶瓷铣刀，Inconel?718的全开槽工序。在陶瓷刀具铣削具有中等磨损的13或14个槽或磨损严重的23个槽后，我们分别对其进行了硬度测量。为了确定并评估最大热负荷，槽上选择的测量点如下文所示（见图4）。为确保收集的数据正确，我们进行了如图5所示的测量。材料的基本硬度为446HV。结果：在100微米的深度内检测到高达640 Hv的硬化。无论刀具的磨损或测量方向如何，如果深度大于200微米，都检测不到硬化。由于通常适用的粗加工偏移量在3/10～5/10，所以不希望使用陶瓷工具进行的粗加工在精加工过程后，会导致任何其它损坏。
陶瓷铣刀是高效可靠加工高温合金的理想选择。
图3：MC075的磨损模式（vc = 600 m/min；ap = 0.4 mm；fz = 0.15
图文说明：尽管积屑瘤和切屑量较大，但陶瓷铣刀在加工五张叶片后，仍然可以使用。粘附在刀具上切屑变色表明加工温度很高。
图4：槽内测量点的位置
图文说明：因为槽基体的温度升高，关键测量点是位置2和位置4。
图5：测量点的分布
图文说明：显微照片显示了硬度测量的测量点的分布。不允许有超出精加工余量的任何硬化。
图6：Inconel? 718的硬度曲线
图文说明：图中显示了材料在100微米深度下的硬化。无论刀具磨损或测量位置如何，在200微米或更深的深度都不会测量到硬化。
图8：Stefan Benkóczy
图文说明：瓦尔特航空工业零件经理Stefan Benkóczy
GH5188高温合金：标准、加工工艺和材料硬度详解
1. GH5188高温合金概述GH5188高温合金，是一种具有优异高温强度和抗氧化性能的镍基合金。它主要应用于航空发动机的高温部件，如涡轮叶片、燃烧室组件等。本文将深入探讨GH5188高温合金的标准、加工工艺以及材料硬度等关键信息。
2. GH5188标准及化学成分GH5188高温合金的标准由国际上多个标准化组织制定，主要包括ASTM、AMS等。以下是GH5188合金的典型化学成分：
镍（Ni）：约52%铬（Cr）：约20%钴（Co）：约12.5%铝（Al）：约5.0%铌（Nb）：约3.6%钼（Mo）：约2.5%这些元素的精确含量会根据不同标准和厂家的要求有所变化，但总体保持在上述范围内，以确保合金的高温性能和耐腐蚀性。
3. GH5188高温合金物理性能GH5188合金具有优异的物理性能，主要体现在高温环境下的稳定性和机械强度：
密度：约9.2 g/cm3
熔点：约1350°C
热膨胀系数：11.3 × 10^-6 /°C（20-1000°C）
弹性模量：约210 GPa
这些性能参数使得GH5188合金成为高温应用领域的理想选择。
4. GH5188高温合金加工工艺GH5188高温合金的加工工艺对其最终性能至关重要。常见的加工工艺包括：
热加工：高温合金在高温状态下进行锻造、轧制或热挤压，以获得所需形状和力学性能。
冷加工：在合金的冷却过程中进行切削、冷拔或冷轧等工艺，用于精密加工和表面处理。
焊接：选择适当的焊接材料和工艺，确保焊缝质量和合金整体性能的协调。
5. 材料硬度及热处理GH5188合金经过热处理后，其硬度和微观结构会发生变化，通常采用以下方式进行调节和优化：
固溶处理：在高温条件下使合金中的固溶体达到均匀状态，提高合金的塑性和加工性。
时效处理：通过控制合金的时效温度和时间，促使析出相的形成，提高合金的硬度和抗拉强度。
硬度测试数据：
硬度范围：HRC 28-35
抗拉强度：约1300 MPa
屈服强度：约1100 MPa
这些数据不仅反映了GH5188合金的优异硬度和机械性能，也是其广泛应用于航空和航天领域的关键原因之一。
GH5188高温合金结论GH5188高温合金凭借其优异的化学成分、物理性能、加工工艺以及硬度特性，成为高温环境下工程结构的理想材料之一。在未来的应用中，持续优化其生产工艺和性能调控将是提升其市场竞争力的重要举措。通过对其标准化生产和应用的深入研究，可以更好地推动该合金在航空航天领域的广泛应用。
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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