高温合金的拉削工艺研究

摘要：随着我国工业的快速发展，高温合金的应用越来越广泛。高温合金能在高温（600℃-1000℃）氧化和燃气腐蚀等恶劣的条件下，承受较大的应力而长期使用，在航空、航天和船舶工业中已经普遍使用。

关键词：高温合金；拉削；工艺

1.概要

高温合金是一种能够在600℃及以上温度和一定应力条件下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为高温零部件不可替代的关键材料。

高温合金按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。按强化方式有固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。

2. 高温合金的加工

2.1. 高温合金的加工特点

由于高温合金中含有许多高熔点合金元素Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等，这些合金元素与其它合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。爱重部分元素又与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高的金属与非金属化合物，使其切削加工性变得很差。它的切削加工性，只有45号钢的5～20%。

高温合金由于其特殊的组成成分和属性具有以下加工特点：切削力比切削45号钢大2～3倍；切削温度比切削45号钢高50%左右；切削高温合金时的加工表面和已加工表面的硬度比基体高50%～100%；切削时易粘结、扩散、氧化和沟纹，从而导致刀具磨损。

高温合金加工导热性差，导热系数仅为普通钢的1/4-1/3，加工中传热困难，切削温度很高，因此切削时容易产生粘刀现象。高温合金在较高的温度下仍具有高的物理、机械性能，切削阻力比普通钢高3-5倍。材料本身有大量的强化相，加工硬化严重，表面硬度比基体硬度高50%-100% ，容易磨损刀具，降低刀具的耐用度和寿命。

由于粉末高温合金具有这些性能特点，所采用的刀具材料必须具有高强度、高硬性、良好的耐磨性和韧性、高导热性和强的抗粘接能力，并保持刀刃锋利、排屑流畅。同时选用刚性好的工艺装备（刀具、夹具和机床等）合理的切削用量（如较低的切削速度），进给量适中，切削深度可较大，使刀尖在硬化层下工作，有利于提高刀具耐用度，加工时应保持冷却液充分的冷却。

2.2. 高温合金加工中的变形

对于高温合金、粉末高温合金材料，加工中产生的变形不仅仅是机械加工中的切削应力造成的，零件的毛坯锻件在加工过程中内应力释放后重新达到平衡状态同样会引起较大的变形。内应力的释放过程，一是时间过程，零件加工的周期越长，内应力释放的越充分，变形就越小，零件加工周期越短，内应力越不容易得到释放，变形就越大。

针对高温合金和粉末高温合金的机械加工，材料的去除量是造成零件变形的主要原因，切削余量大，切削应力大，零件变形随之增加。零件加工的工艺路线、加工顺序和走刀轨迹、刀具材料的选择、零件的装夹方式等工艺方案是否先进合理，直接影响到零件的加工变形。

3.高温合金GH761的加工

3.1. GH761

涡轮转子部件是航空发动机重要的核心热端部件之一，涡轮部件的材料必须具有高的屈服强度、拉伸强度和良好的热稳定性，能适应高温下可靠的工作要求。随着发动机推重比的提高，粉末高温合金材料越来越多地被采用，一方面给切削加工带来很大的困难，无论是车削、铣削、拉削还是钻孔，采用普通的硬质合金刀具、高速钢拉刀都不能满足加工的需要；另一方面零件结构上突出的特点是形状复杂、壁薄、刚性差、圆弧转接多，加工时极易产生变形，传统的加工工艺都是靠成型刀加工型面来进行加工，属于面接触加工，加工中切削力较大，增加了零件变形的产生。因此必须研究新的加工工艺和应用新型高硬度、高耐磨的刀具材料，引用高刚性、大功率的加工设备，优化工艺路线，改进传统的加工方案，有效地控制并减少零件的加工变形，满足高精度粉末冶金盘的加工需要。

3.2.加工工艺

图1为某粉末盘零件结构图，图2是该零件上的榫槽（使用拉削加工）。本文认为该零件其他加工工艺已经完成，在此只对该零件的榫槽拉削加工工艺进行分析。由图可知滚棒距尺寸A1， A2偏差的差值不大于0.025mm；任意两榫槽之间F平面的高度差不大于0.025mm；榫槽工作面在对称平面方向上的相互最大允许错移量不大于0.02mm。

粉末盘两侧带有安装边，尤其是一侧伸臂处壁厚仅为4mm，使零件在夹具上定位装夹困难，轮缘厚度较厚，拉削时拉削力大、刚性差，容易产生振动，使桦槽表面产生波纹，降低表面质量，因此必须设计制造专用拉削夹具，增加其夹具底座的刚性和耐振性，保证夹具定位正确可靠。同时该零件榫槽深度尺寸比以往加工的盘类件榫槽要深得多，这样必然使拉削力增大，因此设计成套拉刀时必须选择合适的齿升量和拉削方案，通过试加工选择确定最佳拉削速度。拉削中采用良好的冷却液进行充分的冷却。

采用进口粉末高速钢材料ASP2060制造拉刀，拉刀硬度HRC66-680，前角：150°；后角：30°。成套拉刀14把，排成2排分2次拉削完成。第1-7把为开槽刀，第8把粗拉齿型，第9-11把为粗拉齿底槽刀，第12把粗拉齿顶圆弧刀，第13把精拉槽底圆弧，第14把为精拉齿形刀。

根据以往加工GH4169材料涡的加工经验，同时考虑到粉末材料的难加工性，开始时采用了1.5-2m/min的拉削速度，但发现拉刀磨损严重，每拉削7个槽就需要卸下拉刀进行重新刃磨，经多次拉削试验，最后将拉削速度调整为粗拉1 m/min；精拉1m/min，取得了良好的拉削效果。

4.小结

本文主要对高温合金的拉削加工进行了分析，特别是粉末高温合金分析了其组成化学成分，并且以某粉末盘零件上的榫槽加工为例说明了高温合金拉削中的需要注意的事项，对实际的加工具有参考意义。