大型锻件高效切削加工技术

摘要：大型零部件是清洁能源（如核电、水电）、石油化工以及交通运输等行业极为重要的核。心部件。随着国家经济的发展，对大型零部件的需求与日俱增。因此，实现大型零部件的全部国产化是提升国家装备水平的重要保障。但是，大型零部件的加工技术，特别是刀具技术一直是制约大型零部件国产化发展的主要因素之一。本文从大型零部件材料及其特性、大型零部件加工技术及重型切削技术现状等几方面进行探讨，分析刀具技术在大型零部件切削加工中的重要地位，并提出重型切削刀具技术解决方案及展望，以期为实现大型零部件及其加工刀具高度国产化目标提供参考。

关键词：重型切削；难加工材料；大型零部件；刀具技术；刀具涂层

中图分类号：TG501 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2013）01-0014-08

0.引言

制造业是创造人类物质财富和社会文明的手段与源泉，是国家实现新兴工业化的基础保证，诸多学科的研究成果必须通过制造转化为人类需求的产品和生产力。国家重大战略工程必须由制造业的极端制造能力提供保证与支撑。近十年，我国高端装备制造业已形成一定的产业规模，开发出了一大批具有知识产权的高端装备，如百万千瓦级超超临界火电发电机组、百万千瓦级先进压水堆核电站成套设备、1000kV特高压交流输变电设备、±800kV直流输变电成套设备、百万吨乙烯装置所需的关键装备、超重型数控卧式镗车床、精密高速加工中心、2000t履带起重机等，已初步形成了高端装备制造产业格局。但是与世界先进水平相比，我国高端装备制造业仍存在较大差距，尤其在技术创新和制造能力等方面。图1为石油、化工行业用的大型加氢反应器。

随着我国石油工业、煤液化工业、核工业和核电站设备的发展，对大型、复杂零部件的需求量不断增大，要求不断提高，而且逐步向大型化发展。千吨级以上的特种耐热不起皮钢材质的加氢反应器的筒节零件制造工艺复杂，技术难度大；核岛AP1000蒸发器水室封头是目前世界上最先进、设备制造难度最大的三代核电站锻件，其型面复杂、切削加工量大（如图2所示）。虽然我国已经可以自主生产这些大型高端装备的关键部件，但是落后的加工技术和刀具技术严重制约着加工效率和加工质量，导致生产成本高、资源消耗大等问题。

美国、德国、日本和原苏联等国对各种难加工材料进行了大量的切削实验研究，并开发了适合于加工难加工材料的新型硬质合金刀具、陶瓷刀具和超硬刀具。目前，世界上只有少数发达国家能够生产大型筒节、核电水室封头等关键部件，其制造技术对我国实行严格控制和封锁，针对大型难加工材料零件高效加工技术研究及刀具产品国产化问题已经成为开发大型零部件新产品的关键问题。因此，以重型筒节、水室封头为典型零件进行高效切削加工技术和刀具技术研究，对我国化工/核电重大工程项目建设将具有重要现实意义和战略意义。

1.大型零部件材料及其特性

1.1石油、化工领域大型零部件材料及其特性

加氢反应器是炼油、煤液化生产中的关键重大装备，大型加氢反应器重达数百吨乃至上千吨重，是由几段圆筒经加工后焊接而成，每段圆筒在加工中一般被称为筒节，以加氢反应器筒节为典型零件，介绍筒节材料及其特性。加氢反应器属于高温高压装置，不仅尺寸大壁厚，而且材料采用抗拉强度特别高又耐热的特种钢。2.25Cr-1Mo钢被广泛应用于炼油化工行业的临氢设备上，伴随着冶炼技术的不断发展，这种钢的纯洁性、匀质性、抗氢性能、抗回火性能和综合力学性能也在不断提高和改善，但在抗氢性能、抗蠕变性能和最高使用温度方面，仍满足不了某些场合需求。2.25Cr-1Mo-0.25V钢正是在此基础上开发出来的新钢种，且应用于加氢反应器的制造，这种新型钢与普通的2.25Cr-1Mo钢相比，各方面都有明显的优越性：强度及需用应力、最高使用温度、抗氢性能显著提高，其化学成分如表1所示。

2.25Cr-1Mo-0.25V钢是一种低合金贝氏体耐热钢，显微组织细小均匀，强度高，塑性好，耐高温，在温度超过450℃时仍能保持良好的高温力学性能。合金元素的总量不超过6%，其在调质处理后，抗拉强度超过1GPa。并且具有热韧性、红硬性以及很强的抗氢化能力，切削过程中的切削力较大，切削区域产生的切削热较多，加上此种材料的导热系数小，导热性较差，因此，切削温度非常高（最高可达1000℃左右）。

1.2核电领域大型零部件材料及其特性

水室封头是核岛蒸发器的关键部件，形状复杂，材料为难加工材料SA508Ⅲ钢。SA508Ⅲ钢是低碳合金钢，是核电设备的主体材料，工作条件非常恶劣，在工作状态下要承受射线辐射和热辐射，同时还要承受非常高的压力。国内某公司已经研制出了应用于核电设备的SA508Ⅲ钢（化学成分如表2所示）。

SA508Ⅲ钢因其具有强度高、低温冲击韧性良好和较低的无延性转变温度等特点，因此加工过程中易产生韧性较高的切屑，难以折断的切屑缠绕在刀具上致使切削区域温度升高，从而引起刀一屑粘产生粘结现象。依表2所述，SA508Ⅲ的成分并不复杂，由于用其制造的零部件（核岛水室封头）有特殊的要求（绝密性和精度高），因此其制造工艺要求却非常严格，加工难度很大。

1.3大型锻件材料中合金元素对材料性能影响

因为大型筒节、水室封头这类大型零件工作环境的特殊性以及需要与其它零件进行组装。因此，需要用到焊接工艺，而根据焊接工艺要求，材料一般需要含碳量较低的合金钢。由于合金中含有许多诸如Cr、Ti、Ni、Mo、V等高熔点元素，这些元素固溶在铁素体中，起到固溶强化的作用，保持了铁素体具有良好的塑性和较高的强度。因此，给切削带来极大的困难。又因为这些合金元素会与材料中其它的非金属元素，如B和C等结合成具有高熔点硬化物，以及形成具有高韧性的金属间化合物，因此，增大了材料在切削过程中的切削阻力。

为了达到强化基体、降低焊缝敏感性以及提高淬透性、改善低温冲击韧性和耐热性等目的，通常在低碳合金钢中添加了Mn、Ni、Mo等亲铁性铁族元素，这些元素与硬质合金刀具中的Co元素为同族元素，在高温环境下其亲和性较强，切削过程中容易引起刀具磨损，甚至出现刀一屑粘结而最终导致刀具失效。

2.大型零部件的加工技术

2.1大型筒节加工性

大型加氢筒节尺寸巨大，直径最大达12m以上，毛坯为直接锻造而成，重量可达数百吨。可加工性非常差，有金属夹杂、表面裂纹、锻造坑包、锻造铲沟、表面折叠、氧化皮、硬而脆的网状碳化物等锻造缺陷。图3为大型筒节毛坯锻件与其表面锻造缺陷。

重型切削与普通切削加工相比较，由于其切削加工过程有材料去除量和切削深度大等特点加上切削过程中产生的大型切屑厚且强度高，如图4所示。其每次折断瞬间均会对刀具产生非常大的机械冲击，所以相对于常规切削，在加工技术方面有较为特殊的要求，比如刀一工件材料的匹配性选择、刀具几何参数优化、涂层技术和切削冷却等方面。

筒节切削加工方式主要为车削。切削过程中，产生的切削力大，最大可达十几吨，所以在车削时，对刀具、刀杆以及车床主轴强度是一个极大的考验。由于锻造缺陷的影响，筒节的粗加工是一种特殊的断续切削，切削过程中刀具时刻承受骤变的机械冲击和热冲击载荷。加上切削刀具的散热条件差，导致刀具与切屑、刀具与工件间热量的大量堆积，进而产生高温（可达1000℃以上）而使刀具涂层过早磨损甚至产生刀一屑粘结破损现象。

2.2水室封头加工性

水室封头为带支管的封头类锻件（比如：AP1000项目水室封头有5个支管），形状非常复杂，目前国内外能制造水室封头的国家大多数还没有能力成型锻造水室封头，制造方案大部分为整体加工成形，造成钢锭利用率非常低（钢锭重量近400t，交货重量为38t，利用率不到10%）。

目前中国一重正在研究高效加工水室封头的方案，主要有两种：一种是锻造出圆形封头板毛坯重140t左右，进行粗加工，加工出规则的圆形钢饼，然后对其加热，再用万吨水压机进行冲压，直接冲压成水室封头形状重70-80t，再进行粗加工和精加工。另一种方案是现在常用的加工方案，即锻造成圆柱体，然后全部用切削加工方式进行加工成品。

水室封头切削加工以铣削为主，如图5所示，材料去除量达70%。由于型面复杂，加工难度特别大，尤其是管嘴与封头的相贯处，曲率是不断变化的，需要用仿形铣刀进行铣削，加工质量也很难保证，在铣削完成后，还需要手工打磨加工比较粗糙的工件表面。水室封头制造从毛坯到成品耗时为5个月左右，加工效率非常低。封头分为上封头和下封头，上封头管嘴较多，比较复杂；下封头只有一个管嘴，相对简单一些。

2.3大型零部件加工存在问题

1）大型零部件切削加工中，加工效率低、废品率高；

2）大型零部件加工时刀具的选择，及其切削参数均靠工人自己的经验；

3）我国大型装备及关键零部件的独立制造能力和制造水平较差；

4）重型切削过程中，国产刀具使用寿命短，致使刀具国产化比率较低。

3.重型切削刀具应用与失效机理分析

3.1重型切削特点

重载条件下切削用量大，由于筒节毛坯表面锻造缺陷的存在，在荒加工过程中刀片承受的机械冲击载荷和热载荷处于随机变化状态，例如：锻造铲沟产生的是骤变机械冲击、氧化皮引起的是持续机械冲击等，即：重型筒节切削是一种变周期接触的断续切削加工，相同时间间隔，刀片承受的切削力是时刻变化的，机械冲击的动态变化量很大。在时有时无、骤变不定的机械冲击载荷作用下，刀片更容易出现疲劳折断。水室封头加工以铣削为主，所以水室封头切削加工一般为断续切削。

重型切削加工过程中切削深度可达30mm以上，是中小型机床的10-15倍；切削速度一般为15-20m/min；切削力可达十几吨，是普通切削的40-50倍；切削区域温度能达到1000℃以上。

3.2重型切削过程中刀具主要破损形式

1）磨损

在重型切削中刀具的磨损现象很普遍。通常会出现磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损这3种形式的磨损。

磨料磨损是一种加工过程中主要的磨损方式，通常大型零件的毛坯件主要是通过铸造加工形成，所以在工件材料中往往会有各种杂质，如材料机体组织中的碳化物、氮化物、氧化物等硬质点在刀具表面刻划出沟纹而造成，这样就形成了磨料磨损。

粘结磨损由于刀具材料往往因为存在组织不均匀，内应力、微裂纹以及空隙、局部软点等缺陷，所以刀具表面也常发生破裂而被工件材料带走，形成粘结磨损。

扩散磨损是由于在重型切削过程温度过高，刀具与工件被切出的新鲜表面接触化学活性，化学活性很大，刀具与工件材料的化学元素有可能互相扩散，使两者的化学成分发生变化，削弱刀具材料的性能，加速磨损过程。

正是由于在切削过程中磨损严重，所以如何降低磨损也是重型切削研究中的重要课题，通过给重型切削刀具涂层来实现降低磨损的有效手段。图6为焊接式硬质合金重型车刀高温磨损照片。

2）冲击破损

刀具在重型切削过程中经常发生冲击破损，这是一个随机现象，因为在重型切削过程中切削深度和进给量都很大导致切削力很大，毛坯件的锻造过程中会经常会出现材料不均匀，并且工件外表面存在锻造缺陷。哈尔滨理工大学大学刘献礼、何耿煌等人研究发现在筒节毛坯锻件待加工表面上覆盖有硬化层，在车削过程刀具承受很大的冲击载荷，当冲击力足够大或者在某一个冲击次数Ⅳ之下，刀具内部有缺陷的一个最弱处将首先发生破裂，这样就行成了刀具的冲击破损。图7中为刀片冲击破损情况。

断续切削过程中，刀具切出工件时比刀具切人工件时受的力更大，刀具更加容易破损。近几十年，已经有很多学者研究表明刀片在断续切削过程中比在连续切削过程中更容易破损。国外，HOSHI和OKUSHIMA实验验证了断续切削时，刀片切出工件时更容易折断；LEHWALD和BECKHAUS也认为刀片切出工件对刀片的危害是最大的；国内，李振加、刘献礼等学者研究了断续切削过程中，切出时切削区域应力的变化和切出力矩的影响会引起剪切角的偏转；李振加和程耀楠等教授针对三维复杂槽型波形刃铣刀片冲击破损数学模型；程耀楠、高军等建立了三维复杂槽型铣刀片受力密度函数，在此基础上建立了应力模糊评判结果与冲击破损切削参数之间的目标函数关系。哈尔滨理工大学刘献礼、何耿煌对重型切削过程中大型切屑折断行为进行了深入研究，发现大型切削折断瞬间产生的机械冲击载荷对重型刀具破损具有很大的影响，并建立了大型切屑折断瞬间冲击力数学模型，从而实现了切屑折断力学行为的定量描述。

3）粘结破损

根据金属学原理，异种钢材间能不能牢固的焊接在一起，关键在于两者的元素之间是否能相互熔解和扩散，即双方间亲和力的大小。影响相互熔解和扩散的主要因素是：双方元素是否形成置换式固熔体，即原子尺寸、在元素周期表中的位置、电子浓度和相对熔点是否接近。硬质合金刀具的金相组织是由力学性能差异很大的粘结相和硬质相构成的，Co粘结相的屈服极限不高，因而在不断的冲击载荷作用下将产生变形，而合金中的WC硬质相，由于粘结相Co元素与工件中的Fe属同族元素，故亲和力较强，是形成粘结的关键因素。又由于重型切削往往会产生很高的应力和温度，而高温时硬质合金的强度降低，在铣削过程中，切人时，刀片前刀面受压，切出时收拉，铣刀片在这种拉压交变应力作用下，在刀、屑粘结处会发生撕裂，从而导致粘结破损。目前，主要是哈尔滨理工大学在做重型切削刀具粘结破损方面的研究，李振加、刘献礼、郑敏利、程耀楠等教授都做过相关研究。程耀楠、刘献礼等专家提出造成刀具粘结的主要原因是波动热-机械冲击载荷，波动切削热引起材料软化，同时机械冲击载荷促进切屑与刀片基体材料的相互渗透扩散，加速了刀具粘结现象的产生。图8为重型切削过程中刀-屑粘结破损区微观形貌图。

3.3重型刀具技术应用分析

一般刀具材料的硬度应高于工件材料才能正常切削，重型切削刀具大多采用硬质合金刀具，但是硬质合金刀具在重型切削过程中，依然破损严重。为提高刀具寿命可选用硬质合金基底涂层刀片，硬质合金基体为刀具提供较好的抗冲击韧性，刀具涂层强度高、耐磨性高，为刀具提供一层保护层，把刀具与切削热隔离开，减少热量传递到刀具，从而刀尖的坚硬和锋利能保持较长的时间。涂层表面光滑还可以减少摩擦，降低切削热的产生，隔离刀具材料使其不发生化学反应的作用。

刀具几何参数和刀具槽型直接影响重型切削过程中刀具寿命。合适的刀具几何参数可以减小切削力、切削热，提高刀具抗冲击性能；设计合理的刀具槽型有利于切屑的流出、增强散热、改变切屑卷曲形状、减轻切屑对刀具和工件的损伤。

在中国第一重机械股份公司现场调研过程中发现，刀具一般是通过技术人员或有经验工人选择，刀具应用种类单一，没有合理的选择依据。目前，中国一重应用的粗加工刀片有焊接硬质合金和涂层硬质合金刀具两种。一重大型筒节粗加工使用的涂层硬质合金刀片是哈尔滨理工大学刘献礼教授带领重型切削技术小组在“863”项目中开发的，刀片如图9所示，针对重型切削条件，特别设计了刀片的几何参数、涂层、减磨措施和卷屑槽型。根据一重现场工人反应，这种刀片在实际加工过程中，抗破损能力增强，寿命明显提高。但是关于重型切削加工技术和刀具技术的研究还不够完善，其中很多重型切削机理方面的研究工作仍需进一步深入。

4.重型切削刀具技术解决方案

4.1重型刀具材料优选

在决定机械加工生产效率的主要因素——机床系统、刀具、工件中，刀具是最关键的因素之一。刀具技术是实现筒节荒加工高效性的关键技术，重型切削的发展在很大程度得益于新型刀具材料的诞生与发展。由于重型切削的切削深度多达30mm；切削力高达15t；刀尖处的切削温度更是高达1000℃。因此，重型切削对刀具材料提出了更高的要求，除了具备普通刀具材料的基本性能外，还应当具备良好的高温力学性能及抗热一力耦合冲击性能。

刀具材料的发展，实际上是提高刀具材料的耐高温性能、抗磨损性能、切削速度和工件表面加工质量的过程。目前使用的刀具材料种类繁多，主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷、硬质合金和高速钢等。研究表明，不同刀具材料在切削同一种工件材料时的失效时间和失效形态都有很大的差异，即每种刀具材料都有其特定的适用范围。因此，在筒节荒加工过程中就存在着刀具材料与筒节材料的匹配性问题。

通过对刀具材料与筒节材料在力学性能、物理性能以及化学性能的匹配性进行分析研究，可知，适合重型切削的刀具材料应当具备耐磨损、抗冲击以及良好的高温稳定性能。力学性能方面，金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷等硬度高，但抗弯强度低，抗冲击性能差；化学性能方面，筒节材料是高温高强度钢，其V和C等亲铁元素含量高，在高温下容易与金刚石、高速钢等刀具材料发生高温化学反应；物理性能方面，金刚石、CBN、金属陶瓷等材料的导热性能虽比较好，但其属于硬脆性材料，韧性差，不适合余量不均的重型切削。硬质合金的导热性能虽没有金刚石和CBN优良，但其具有较低的摩擦系数，可有效降低切削力和切削温度，因此，硬质合金具有良好的高温性能稳定性、高温韧性和抗热一力冲击性强等特点，适合重型切削。

硬质合金分为钨钴类（WC+Co）、钨钛钴类（WC+TiC+Co）、钨钽钴类（WC+TaC+C0）和钨钛钽钴类（WC+TiC+TaC+Co）。其中适合极限重载切削的硬质合金为钨钛钴类（YT类）和钨钛钽钴类（YW类），因为它们具有高硬度、抗磨性好、耐高温和较强的抗粘结扩散能力。但是，YT类硬质合金韧性比YW类差，低速车削时切削刃容易破碎，使用寿命短。

图10为实验室条件下YW类硬质合金刀具切削筒节材料破损照片，从损伤程度分析，切削过程中硬质合金的破损区域较小，抗刀一屑粘结性能较好。因此，硬质合金刀具适合重型切削加工的要求，利用其良好的机械性能提高切削速度，是实现筒节高效加工的关键因素之一。

4.2重型切削刀具结构优化设计

刀具结构的合理设计，能有效实现工件材料去除率与刀具使用寿命最大化目标。大型筒节毛坯的内外圆周偏心非常大，加工余量严重不均。荒加工阶段刀具承受不均匀的热一力耦合冲击，这就要求刀具具有良好的抗疲劳设计以提高刀具性能保持能力和使用寿命；材料去除量大，产生大量的切屑，这就要求刀具设计有合理的控屑槽结构以产生理想的切屑；切削过程中，大量切削热聚集在切削区域，因此刀具应当具备良好的散热性能。同时，刀具应当有良好的重复定位性能，以减少加工辅助时间。图11所示刀片为新型重型切削专用刀片。

如图11所示，车刀为方形设计，这种形状重复定位精度好，并且使切削刃的有效长度达到最大化，采用负倒棱切削刃，使切削更为平稳，更加适合重载切削大切深的要求。前刀面进行了优化设计，断屑槽横向截面设计为等腰梯形，有利于大型切屑的卷曲和折断。其中过渡刃采用圆弧设计，提高了刀尖的抗冲击破损能力，增强了切削区域抗疲劳性能。刀尖圆弧处设计了箭形凸起，进一步强化了刀尖抗疲劳和抗冲击性能，同时对主副切削刃起到了有效的分隔作用，将大部分切屑导向主切削刃方向，保护了副切削刃。断屑槽两边分别设计有椭球形凸起，该设计能减少刀一屑接触面积，同时增加了刀片有效散热面积，能有效的将热量阻挡在刀体外部，使大量热量随切屑带走，使刀片具有良好的散热性能。

4.3涂层技术

目前，TiN涂层是最成熟和应用最广泛的硬质涂层，工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50%-70%，不重磨复杂刀具的使用率已超过90%，但是TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆、不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点。它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力、提高韧性、增加涂层的厚度、阻止裂纹的扩展、减少崩刃。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高2～3倍。TiAlN是近几年来开发的硬质涂层新材料，已经实现商品化，它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN涂层高3～4倍。此外，TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切削。其次是用Al2O3等做成的陶瓷涂层Al2O3具有优良的隔热效果，具有低摩擦特性，可减少涂层组织的损耗，达到综合利用各种涂层成分的优点使刀具获得更好的综合性能。而且，重型刀具可以应用多涂层、复合涂层、梯度涂层等涂层技术，综合各种涂层的性能，提高刀具各项性能，从而提高刀具寿命。

5.结语

重型切削刀具技术的发展，尤其是刀具基体材料、刀片表面强化技术的发展是实现大型零部件高效切削的关键技术手段之一。目前，我国大型零部件（例如大型筒节、大型水室封头等）的生产规格已经处于世界领先水平，但是切削刀具绝大部分为国外进口，究其原因，主要是国产刀具在性能方面无法适应重型切削过程中高压和高温的环境，致使刀具寿命短，严重制约着大型零部件生产效率，增加了生产辅助时间，提高了产品成本并最终导致国产大型零部件的国际市场竞争力低。通过分析，只有大力提升重型切削刀具的自主创新研发能力，提高国产刀具在大型零部件生产过程中的占有率，才能提高我国高端重型装备的国际市场竞争力，从而使我国摆脱受制于人的困境。