镍基合金的铰削加工
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镍基合金和其他耐热材料确实很难加工,但只要用户选择恰当的刀具,合理规划工艺,通过有效的铰削加工来提高孔的圆柱度和表面质量是完全可能的。

图1 AMEC的可换刀头式铰刀。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 KOMET公司的Dihart Reamax TS硬质合金刀头式铰刀。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 伊斯卡的BAYOT铰削系统。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 BTA Heller的浮动铰削系统。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图5 KOMET 的Dihart Duomax可转位刀片式铰刀。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
当一个金属零件必须重量轻、耐腐蚀、抗氧化并具有良好的高温强度时,设计人员常常选用镍基合金材料。镍基合金与铁基和钴基合金材料一起,被称为超级耐热合金。
然而,镍基合金在极端环境下(如用于制造核电站的压力水冷反应堆和航空涡轮增压器转子)令人满意的使用特性却为其切削加工带来了挑战。KOMET美国公司Dihart铰刀产品经理Adrian von Rohr解释说,这是因为加工过程中切削刀具施加在工件上的高压使工件表层产生应力和变形,而这种变形会导致工件表面硬化,从而阻碍切削加工的进行。
von Rohr认为,即使在最好的加工条件下,也可能产生会使工件扭曲变形的应力。为了获得更好的尺寸稳定性,最好先将工件粗加工到接近最终尺寸,经消除应力后再精加工到最终尺寸。
特别难加工的镍基合金包括Incoloy 901、Nimonic 80和105以及Inconel 625和718。Inconel 718是一种在700℃高温下仍具有极佳蠕变破裂强度的弥散硬化镍铬合金。据研究用高纯度金属和金属化合物供应商ESPI金属公司称,Inconel 718常用于制造燃气涡轮、泵和火箭发动机,其名义成份包括52.50%的镍、19.00%的铬、17.00%的铁、3.05%的钼、0.90%的钛及其他一些元素。
由于这些在极端环境下工作的零件上往往需要加工高质量的孔(国际尺寸公差等级H7或更高),零件制造商通常采用铰削加工来满足工件表面质量、尺寸和同心度要求。例如,对于一个直径18mm的孔,H7级公差就是0 /+0.018mm。
美国刀具制造商联合机械工程公司(AMEC)产品经理Jacob Miller指出,随着孔径的增大,公差范围也随之变大。为了补充其整体式铰刀和环型铰刀产品线,该公司最近又新增了由意大利S.C.A.M.I.公司生产的可换刀头式铰刀。
虽然高性能钻头可以加工出高质量的孔,但对于一些直径公差要求更严格的孔,仍然需要进行铰削加工。von Rohr指出,可转位刀片式钻头通常可达到0.2mm的尺寸公差,整体硬质合金钻头可达到0.05mm的尺寸公差,而整体硬质合金铰刀、硬质合金刀头式铰刀和可转位刀片式铰刀能够达到0.01mm的尺寸公差。这三种类型的铰刀KOMET公司均能生产。
Miller指出,与其他切削加工类似,铰削镍基合金时所需的切削速度比加工大多数其他材料时低得多,如用涂层硬质合金铰刀加工镍基合金时,表面切削速度通常为18-24m/min。
von Rohr补充说,由于镍基合金容易冷作硬化,采用较低的切削速度可以减少摩擦和发热。正如钻削的孔可以为铰刀导向一样,钻削速度也可以作为铰削速度的参考依据。一项经验法则是:铰削速度应为钻削速度的2/3左右。
其他一些受访者也赞同,铰削镍基合金时应采用较低的切削速度。但有些受访者推荐的切削参数略有不同。伊斯卡公司的深孔钻削、铰削、螺纹铣削、ITS钻孔与石油管螺纹梳刀产品经理Tom Edler推荐的镍基合金铰削速度为24-30m/min。Edler介绍说,伊斯卡的BAYO T铰削系统适合加工镍基合金。尽管其切削速度较低,但进给率并不低。“该刀具设计允许采用很高的进给率,通常比传统铰刀高20-30倍。”
BTA Heller公司总裁兼首席执行官Mark Sollich指出,与铰削钢件时的表面切削速度(约195m/min)相比,用该公司的浮动铰刀加工Inconel 718合金时,采用60m/min的铰削速度比较合适。该铰刀的刀体上夹持了一个浮动刀盒,其上有2个刀夹和2个彼此相对的可转位刀片(每个刀片有4个切削刃),其径向调节范围为2-3mm(取决于刀具直径)。
Sollich解释说,浮动铰刀能沿着既有的孔进行铰削,并自始至终保持尺寸、表面光洁度和壁厚的一致性,从而加工出圆度极高的孔。当铰刀进入孔中时,打开接入刀具的液压系统,使浮动刀盒(刀具)扩张到所需尺寸,并沿着工件孔壁走刀铰削,同时用大流量冷却液冲刷铰刀外部,将切屑从切削刃上冲走。当加工到孔的末端时,关闭液压系统,刀盒缩回,然后退出刀具,这样就不会在孔壁上留下任何刮痕和刀痕。
这种浮动铰刀的径向加工余量可达3.2mm。它仅用于深孔钻床,可铰削加工孔深达100倍孔径或更深的孔。
Sollich补充说,与单刃铰刀相比,这种双刃结构的铰刀使用户可以大幅提高进给率。他建议在切削Inconel 718合金时,可采用1.0-1.5mm/r的进给率。
von Rohr认为,进给率过小会导致工件产生冷作硬化,并造成刀具过快磨损;而进给率过大又会降低孔的尺寸精度和表面光洁度。因此他建议,在铰削镍基合金时,可采用每个刀齿0.04-0.10mm/r的进给率。
M.A.福特制造公司应用工程师Gary Schmidt推荐的镍基合金基本铰削参数为:铰削速度为钻削速度(采用硬质合金钻头)的1/2,进给率为钻削进给率的2倍。增加的进给量将由铰刀负担,并可防止铰刀剧烈摩擦和过快磨损。该公司生产规格0.33-15.88mm(特殊订货可到31.75mm)的标准整体硬质合金铰刀。
除了采用正确的进给率以外,还应采用具有锋利切削刃和正前角的铰刀(铰刀只能在倒棱切削部和锥形导向部进行切削,而不能在刃带上切削),以实现对镍基合金的剪切加工(而不是推挤工件材料)。AMEC的Miller指出,“最需要关注的是确保铰刀具有锋锐的刃口,以最大限度地减少产生的切削热。”
M.A.福特公司的Schmidt指出,与铰削其他加工难度较小的工件材料相比,加工镍基合金的铰刀后角必须略微减小,以支撑锋利的切削刃。传统铰刀的后角通常为3°-5°,而加工镍基合金时,选用1°-3°的铰刀后角更为恰当。
Schmidt补充说,一些新型铰刀的外缘刃带几乎呈圆柱形,从而为切削刃提供了可靠的支撑,使其不易崩刃。刀具制造商采用这种后角较小的铰刀设计,增大了对切削刃后面的支撑,提高了刃口强度。
BTA Heller公司的Sollich指出,由于在铰削镍基合金时,切屑控制可能相当困难,因此设计断屑槽几何形状大有裨益。该公司的浮动铰刀有一个用刀夹夹持的手动断屑器。“断屑器的宽度可根据工件材料进行调节。在铰削切屑不易控制的工件材料时,可以减小断屑器的宽度(如1mm)。”
KOMET公司的von Rohr认为,对于传统铰刀而言,虽然断屑槽能有效控制切屑,但与无断屑槽的铰刀相比,它会降低刀具寿命。而镍基合金的铰削加工甚至可能不需要用断屑槽来控制切屑。这是因为,镍基合金材料冷作硬化时会变得很脆,往往在形成长条形切屑之前就会折断而脱离工件。“镍基合金本身几乎就能起到断屑作用。”
von Rohr指出,铰刀的几何槽型设计也有助于减少颤振——这种颤振在精加工时尤其有害。为了防止产生会引起加工颤振的固有共振频率,铰刀的刀槽通常采用不等间距分布。在断续切削时(如铰削交叉孔),这种不等间距刀槽设计有助于提高切削性能。因此,该公司的Dihart高效铰刀都是采用不等间距刀槽设计。
伊斯卡公司的Edler介绍说,该公司的BAYO T铰刀也采用了不等间距刀槽设计,其中有两个刀槽呈180°对称分布,而其余刀槽的间距则各不相同。“显然,这种设计的目的是避免共振。”
Edler解释说,铰刀的螺旋角也对其切屑控制起着至关重要的作用。除了可采用45°螺旋角以外,为了减小切削力,通过形成较小的切屑来改进切屑控制,还可以采用20°的双重螺旋角(复合螺旋角)。“为了解决切屑控制问题,可以根据我们的需要任意设计复合螺旋角。”他补充说,螺旋角的变化取决于被铰孔是通孔还是盲孔。铰削通孔时采用45°螺旋角,切屑向前流动,从刀具前方排出孔外;铰削盲孔时采用20°螺旋角,切屑向后流动,沿刀槽排出孔外。
并非所有优秀的铰刀几何结构都唾手可得。为了实现铰刀的有效排屑,可以设计冷却液通道来帮助切削液流动,根据不同的被铰孔类型,冷却液通道的设计方案也可能各不相同。M.A.福特公司的Schmidt指出,该公司设计了铰削盲孔时引导切屑向后流动的内冷却通道,无论是采用一条中央通道,还是采用双孔通道,都有助于将切屑冲出孔口,而不是冲入孔底。
由于镍基合金耐高温,因此传入工件材料的切削热并不多,而且传入工件材料的热量也会在切屑形成时被带走。因此,使用冷却液是为了防止切削刃过热并导致刀具过早失效,同时也是为了帮助排屑。
有人建议,铰削镍基合金时应采用硫基或氯基矿物油,以改善切削液的润滑和抗过热卡死性能。另一些人则强调,应采用合适的混合冷却液。Schmidt说,“铰削高温合金时,水基冷却液的浓度至关重要。我们建议采用8%-11%的浓度。如果采用4%-6%的常规浓度,其润滑性能就会大打折扣。”
伊斯卡公司的Edler对此表示赞同:“只要水基冷却液的浓度选择合适(如10%-12%),就能顺利完成加工。”铰削镍基合金时,除了选择正确的冷却液浓度以外,提高冷却液压力也很有必要。Edler说,“冷却液的压力越高,其渗透到发热区、冷却切削刃和工件材料的效果就越好。”
Sollich表示,使用BTA Heller公司的浮动铰削系统时,冷却液的流量比压力更重要。经验法则是:每25.4mm刀具直径所需的冷却液流量为25加仑/min。他建议使用硫基或氯基切削油,并利用冷却装置使油温保持在27-30℃,这样可使刀具寿命延长15%-30%。
KOMET公司的von Rohr解释说,虽然硫基切削油有其优势,但在铰削加工时,如果切削油和工件温度过高,工件就可能染上颜色。因此在热处理之前,用户可以用氰化钠或硫酸铬清洗液去除颜色。他提醒说,“为了防止晶间腐蚀,工件浸入清洗液中的时间不能太长,只要足够去色即可。”
铰削镍基合金时,为了保护铰刀和减少摩擦,需要使用涂层。von Rohr说,“是否采用涂层对加工效果影响很大。涂层铰刀可以减少热量,降低应力,并使排屑更方便顺畅。”他指出,加工镍基合金时,最常用的是TiAlN涂层,而AlCrN涂层也很适用。
为了保持切削刃的锋利性,涂层不能太厚。von Rohr说,“厚涂层并不一定意味着刀具性能更好。实际上正好相反,厚涂层可能更容易破裂。”
M.A.福特公司的Schmidt表示,该公司铰刀的涂层厚度为0.0025-0.005mm,由外部涂层公司进行快速涂覆,以缩短涂层时间,从而减少涂层厚度和传入刀具的热量。用于镍基合金铰削加工的涂层主要是硅基涂层。TiAlN和AlCrN虽然不是硅基涂层,但加工效果也很好。“硅基涂层最初主要用于高速加工和淬硬模具加工,但后来发现,将其用于镍基合金的加工效果也不错。”
von Rohr指出,与焊接硬质合金刀头的铰刀相比,可转位刀片式铰刀的涂层选择范围更大。这是因为硬质合金刀头必须在焊接后才能进行涂层,而涂层时的工作温度不能高于钎焊接头的允许温度,如果温度过高,将导致焊接失效。他说,“由于可转位刀片并非焊接在刀体上,因此可以考虑采用高性能涂层。” 可转位刀片的重复精度小于0.0025mm。
AMEC的Miller指出,该公司提供涂层、非涂层的硬质合金和金属陶瓷铰刀,并通常推荐用未涂层的金属陶瓷铰刀进行高速铰削。金属陶瓷刀具抵御镍基合金磨蚀的抗磨损性优于硬质合金刀具,因此,就刀具寿命而言,在金属陶瓷刀具上涂层并无太大必要。
von Rohr建议,铰削镍基合金时,刀具切除的工件材料必须足够厚,以避开冷作硬化层。铰削直径6.4mm的孔时,推荐的切削厚度为0.25mm;铰削直径12.7mm的孔时,推荐切削厚度为0.38mm;铰削直径38mm的孔时,推荐切削厚度则为0.64mm。
铰削非镍基合金材料时,对于直径小于12.7mm的孔,切削厚度通常选取1.13-0.2mm;对于直径大于12.7mm的孔,切削厚度为0.2-0.3mm。铰削镍基合金则有所不同,伊斯卡公司的Edler建议,加工所有镍基合金孔时,均应采用0.1mm的切削厚度。只有在钻削蛋形孔或非圆孔时例外,此时的切削厚度应大于0.1mm。
镍基合金的铰削加工已颇具挑战性,但如果工件除镍基合金以外,还加入了另一种不同的材料(如叠层结构的复合材料),则加工难度将会成倍增加。
M.A.福特公司的Schmidt表示,“我通常向用户解释说,铰削镍基复合材料与铰削淬硬材料非常类似。淬硬材料表层很硬,而内部较软。金属基复合材料也是如此。”他补充说,已被证明有效的方法是,刀具几何形状的设计应使对两种不同材料的切削性能保持均衡,而不是只优化其中一种材料的切削性能。
不过,事实证明,针对每一种材料优化切削速度和进给量也很有效。AMEC的Miller强调,在铰削双金属材料工件(如A 516 70钢或316不锈钢基材与Inconel合金覆层的爆炸复合板)时就是如此。这种材料可能开始需要用较低的表面速度加工,然后待刀具通过镍基合金覆层后再提高切削速度。他说,“切削双金属材料时,机床数控系统可以采用两种不同的切削参数。”
镍基合金和其他耐热材料确实很难加工,但只要用户选择恰当的刀具,合理规划工艺,通过有效的铰削加工来提高孔的圆柱度和表面质量是完全可能的。伊斯卡公司的Edler说,“如果想要做到最好,就必须未雨绸缪。有了充分的准备,加工高温合金也能像加工任何其他工件材料一样获得成功。”
本文作者:胡红兵(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2015-6-16 14:45:02

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