晶粒度等级对FV520B锻件铣削性能的影响

摘 要：马氏体沉淀硬化不锈钢FV520B的锻件晶粒度等级决定于锻造的工艺和热处理的保温时间及温度。此种材料的锻件晶粒度等级对锻件铣削性能有较大的影响。将锻件的晶粒度级别控制在合理的范围内，可使其获得良好的铣削性能。

关键词：晶粒度；锻件；FV520B；铣削性

1 概述

FV520B是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，主要Cr的含量为13.00～14.50%，Ni的含量为5.0～6.0%，内部基体组织主要由马氏体组成，含有沉淀硬化相。此材料具有强度高、硬度高，冲击韧性好的特点。因此，被广泛应用于汽轮机、压缩机、涡轮增压机的叶轮的设计制造中。如何降低铣削加工叶片的制造费用，并减少机床的使用时间，从而达到降低压缩机生产制造成本的目的，成为大家研究的重点领域。随着锻件晶粒度等级的降低，材料的内部组织锻造的均匀性越差，晶粒变大，使得叶轮叶片铣削加工难度越大。文章通过晶粒度为3-3.5级的锻件与晶粒度为5级两组叶轮的铣削过程进行对比研究，为FV520B作为叶轮锻件，能够达到基本的铣削性能，而要求的最低晶粒度等级提供了一定的依据。

2 项目背景

实际生产制造中，由于锻造工艺、热处理工艺的控制过程的差异，会使得最终叶轮锻件的力学性能、晶粒度等级等发生变化。

目前，市场上常用FV520B锻件的场合，基本拉伸指标在930MPa。而有些特殊要求的使用环境，要求叶轮锻件抗拉指标大于1078MPa。如何得到保证力学性能，同时又拥有内部组织均匀的锻件，成为锻造工艺的问题点。对于我们叶轮制造企业来讲，晶粒度等级大于几级才能够满足我们的使用、制造的需求，成为研究的重点。

文章就通过晶粒度分别为3级、5级的锻件进行铣削试验，得出相关结论。

3 试验条件及方法

文章采用晶粒度分别为3-3.5级、5级的两种叶轮锻件，在相同的夹装方式、相同的刀具、相同的机床以及一定的切削参数条件下进行叶片铣削加工。通过对切削过程中各个加工参数的调整，分析材料中晶粒度变化对切削功率、刀具寿命、切削效率的影响。试验之前的通用条件为：

（1）五根轴联合运动数控铣床型号：MACHING CENTER C 40U，

是市场上常见的用于铣削叶片的哈默数控铣床。

（2）数控编程的切削方式：采用型面铣削的刀具轨迹控制方式。

（3）数控刀具：采用整体式硬质合金铣刀、机夹刀片刀具，两者相结合。

（4）冷却液：SF34A。

（5）工件尺寸：锻件￠410mm×220mm（直径×高），整体锻造回司，见图1。

（6）铣削工装：夹装、定位方式如图2所示。

（7）FV520B锻件的化学成分：C：≤0.07，Mn：≤1.00，Si：≤0.70，Cr：13.00～14.50，Ni：5.0～6.00，Mo：1.30～1.80，Cu：1.30～1.80，Nb：0.25～0.45，S：≤0.03，P：≤0.03。

（8）FV520B锻件的力学性能：σb>1078MPa σs>1029MPa δ5>12% ψ>35% αk>55J/cm2 35～40HRC。

试验过程中，两组数据都是采用相同的刀具伸出量、相同的定位方式。在其它切削条件相同的情况下，按照表1、表2进行铣削试验。每次试验过程中，记录刀具的寿命和切削时的效率。

其中，刀具的使用寿命是以刀具磨损或是刃口崩裂严重，已经不能再进行后续的切削，也已切不动工件为判断依据的。而刀具的切削效率是包括两方面：一是在相同切深时的，不同进给速度；二是不同的切深参数条件下的，不同的进给速度（相同的切深条件下，刀具切削环境相当恶劣，会出现严重的不正常刃口崩裂，故只能设置不相同的切深值进行后续的试验）。

4 试验结果及分析

4.1 切削力

在用相同刀具、相同的切削参数进行铣削，所需的机床的功率值如图3所示。

由图中的数据可见，在相同的切削条件下，晶粒度为3.5的叶轮锻件切削功率高于晶粒度为5级的铣削功率，大约高出10%。而铣削功率是铣削力的表现，因此，由上述铣削功率的情况可知，在相同的铣削条件下，晶粒度等级为3.5级的FV520B锻件在进行叶片铣削过程中，所需要的切削力比晶粒度5级的锻件大。

在叶片铣削加工过程中，由于刀具与叶轮的高速相对运动所产生的剧烈摩擦，以及去除材料时产生较大切削力的作用，使得在工件表面层发生弹性、塑性变形，形成大量的结构变形热；另外，刀具与工件、切屑接触部位的相对运动也产生大量的摩擦热，在铣削过程中消耗的机床的机械能的绝大部分转化为切削热能，并分别由叶轮、切屑、刀具及周围介质（如冷却液、空气等）所带走或散失。

由此可见，金属的切削过程是一个复杂的能量转换和刀具消耗过程。在铣削加工工艺设置及加工过程中，刀具的最初的几何状态，包括前角、主偏角以及刀尖圆弧半径等，由于磨损会导致几何参数变化，这些都会引起切削热的传导，最终导致摩擦力及切削力的改变；同时，工件材料的加工硬化、热导率及脆性等特性也会直接影响到切削区域内的切削力。

FV520B锻件在进行叶片铣削过程中，粗晶粒对比细晶粒的工件能更有效地阻止裂纹的扩展，其断裂所需能量较多；除此之外，晶粒度为3.5级的锻件的晶粒均匀性相对于晶粒度为5级的锻件较低。因此，粗晶粒的铣削过程中，所消耗的比切削力和切削能大于晶粒较细的锻件。晶粒度为3.5级的粗大晶粒，微观组织会导致断续切削。断续切削特别容易产生刀具刃口崩裂，导致刀具与工件之间磨损加剧，使得切削力和切削温度急剧升高，产生振动。故在一定切削功率条件下的切削中，细晶粒材料的进刀速率和单次切深高于粗晶粒的锻件，有利于生产效率的提高。

在切削时，主要是刀具面对切削层产生挤压，切削层发生滑移进而产生塑性变形。由于各个晶粒间不均匀的变形，导致晶粒之间产生拉伸应力。晶粒度等级低的金属对各个方向变形的协调性差，金属受到某个方向单向的拉伸应力会增加，这样容易造成断裂，并且切削力增大；随晶粒晶粒度等级的提高和金属的不均匀协调性提高，铣削力变小。

4.2 刀具寿命

在各自的切削条件下，分别对两种不同晶粒度的叶轮锻件进行叶片铣削加工，各个刀具的寿命平均值列于表1、表2。

由表中可见，在相同的切削参数、正常的切削环境下，晶粒度3.5级的材料所使用的刀具寿命明显减少，大约是1/3倍。

刀具寿命一般用加工条件下刀具后面磨损到既定高度的切削时间来判断，实验室也通过定时测定刀具磨损量来比较刀具寿命，同时观察刃口的状况来评价刀具强韧性和耐磨性。从大量的使用信息可以表明，崩刃口是整体刀具失效的主要原因。晶粒度等级为3.5级、5级的锻件所使用的整体硬质合金刀具刃口图片如下：

从上图可以看出，图4刀具刃口保持完好，断口刃带清晰平整；而图5刀具刃口崩刃，出现磨损更为严重。从不同材料的刃口形貌来看，5级晶粒度材料的刀具刃口崩缺情况较进口刀具轻微，磨损带更平整，刃口形貌好于3级晶粒度材料刀具，说明5级晶粒度倒料的加工刀具使用时的耐用度高于5级晶粒度锻件。

刀具在切削加工中，刃口的锋利度会逐步降低，也将逐渐产生磨损加剧。当刀具磨损达到一定程度后，可以明显地发现切削功率加大，切削温度上升，切削颜色改变，甚至机床产生振动，已加工表面也明显恶化，这时就要考虑更换刀具。

5 结束语

文章以晶粒度等级为3.5级、5级的FV520B叶轮锻件为研究对象，结合五根轴联合运动机床加工工件的特点，对比分析了两种不同锻件的铣削性能，得出了晶粒度等级3.5级的叶轮锻件进行叶片铣削时，刀具使用寿命、加工效率都大大低于正常的5级晶粒度等级的叶轮。为后续叶轮FV520B锻件的验收和使用标准做出了有效的参考。

参考文献

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[2]刘天聪.机械加工中刀具寿命的影响因素及对策[J].宁夏工学院学报，1996（8）：34.

[3]魏飞.金属切削加工性能浅析[J].通用机械，2005，7.

作者简介：郭维娟（1985-），工艺工程师，主要从事压缩机工艺及制造工作。