陶瓷刀具在鎳基高溫合金機匣加工中的應用

1

序言現(xiàn)代新型航空發(fā)動機鋼制機匣類零件多采用鎳基高溫合金，鎳基高溫合金屬于難加工材料，其相對加工性差，僅為45鋼的5%～15%。機匣多采用鍛造毛坯，結構尺寸大，需去除的余量較多。因此，鎳基高溫合金機匣類零件的加工效率低，使用普通硬質合金刀具消耗量大，加工成本高，加工周期長。陶瓷刀具具有良好的高溫硬度和強度，優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，抗磨料磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損等性能。在高速切削作用下，利用剪切區(qū)產(chǎn)生的切削熱，軟化被切削材料，使零件材料更容易被切削。陶瓷刀具具有高速切削的特點，對于提高鎳基高溫合金的加工效率、節(jié)約加工成本具有較大的作用。雖然陶瓷刀具具有高速、高效加工的特點，能提高切削效率，但其使用難度較大，使用壽命較短，導致其加工成本的優(yōu)勢并不明顯，在實際的加工過程中推廣應用并不理想。2

陶瓷刀具使用過程中存在的問題陶瓷刀具具有高速高效切削的特點，但切削過程還存在較多的問題，導致其使用壽命短。2.1刀具易磨損刀具在切除金屬的同時，自身也會產(chǎn)生磨損，當磨損發(fā)展到一定程度時，刀具便會喪失切削能力。在低速切削時，往往是磨料磨損為主。隨著切削速度的提高，切削溫度的增加，粘結磨損和化學磨損越來越突出。高速切削時，刀具的損壞主要是后刀面磨損、前刀面月牙洼磨損、溝槽磨損、微崩刃、剝落和塑性變形等形態(tài)。當用陶瓷刀具高速切削鎳基高溫合金時，往往磨損集中在切削刃的一點，磨損形態(tài)與切削普通金屬時明顯不同，其特點是常出現(xiàn)嚴重的溝槽磨損，并伴隨后刀面磨損與前刀面磨損，而且前刀面月牙洼磨損常常與后刀面磨損相貫連，使切削刃形狀發(fā)生變化。2.2刀具易崩刃陶瓷刀具抗彎強度、抗沖擊韌性低，脆性大，刀具加工狀態(tài)不好，極易破碎。加工過程中，刀具在碰到零件尖邊、毛刺或受沖擊的情況下，或切削刃加工區(qū)域接觸面積急劇增大，刀具的受力就會突變，易造成其崩刃。2.3刀具易剝落刀具使用過程中，線速度要求高，刀具圓角較大，切削力較大，這些特點往往要求刀具在切削過程中比較平穩(wěn)，切削力比較穩(wěn)定。當?shù)毒咔邢髁ν蛔?，尤其是背吃刀量突然增大，易造成刀具剝落。由于陶瓷刀具使用過程中存在這些問題，嚴重影響了刀具的使用壽命，導致刀具使用的性價比與硬質合金刀具相比無明顯優(yōu)勢，限制了刀具的廣泛使用，因此，針對陶瓷刀具高速切削過程中易產(chǎn)生的問題，創(chuàng)新切削方法，提高其使用壽命，才能充分發(fā)揮陶瓷刀具的切削優(yōu)勢，使其得到進一步的推廣和應用。3

陶瓷刀具切削方法為了提高陶瓷刀具的使用壽命，需要對其使用方法和技巧進行創(chuàng)新改進，規(guī)避其自身薄弱點，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。3.1斜向變背吃刀量方法陶瓷刀具的切削，將傳統(tǒng)的直線恒定背吃刀量的切削方式，調整為斜向變背吃刀量（見圖1）與直線恒定背吃刀量交替進行的切削方式。背吃刀量由大逐漸減小，斜向進給；再由小逐漸增大，直線進給。此方式使刀具每次切削時，切削刃與零件的接觸點不斷變化，能夠顯著減小刀具在同一接觸點的磨損，減小溝槽磨損的程度，延長刀具的使用時間，提高刀具使用壽命。圖1

斜向變背吃刀量示意3.2對尖邊預倒棱對機匣加工部位的尖邊、毛刺用硬質合金刀具進行預倒棱（見圖2），以保證刀具逐步進入切削面，退刀時與工件逐漸分離，避免刀具受到棱邊的沖擊而導致刀片崩刃。預倒棱時，應盡量增大圓角或倒角尺寸。在加工前無法倒棱部位，切削時刀具切入工件時，采取圓弧或45°斜向進刀的方式。圖2

預倒棱示意3.3保證切削負荷基本恒定當陶瓷刀具正常切削時，刀具1/8弧長切削刃處于切削狀態(tài)（見圖3）；當?shù)毒咔邢鞯捷S肩處時，刀具5/18弧長切削刃處于切削狀態(tài)（見圖4），刀具與零件的接觸面增大，導致切削力急劇增大，可能到造成刀具剝落。因此，在切削到軸肩或切入零件3mm以內時，進給量降低50%，降低進給會提高切削溫度，可使切削卷曲程度減緩，降低切削刃所受到的壓力，可防止刀具崩裂。圖3

刀具正常切削狀態(tài)圖4

刀具在軸肩處切削狀態(tài)

4

陶瓷刀具的使用壽命評價標準在實際加工過程中，刀具壽命是根據(jù)刀片的磨損程度來衡量的。由于刀具后刀面的磨損寬度VB易于測量，因此采用刀具后刀面來確定刀具的使用壽命。加工過程中也根據(jù)切削過程中出現(xiàn)不正常的聲響和產(chǎn)生振動、工件表面粗糙度相結合的方式來確定其使用壽命。結合實際情況和陶瓷刀具的磨鈍標準（見圖5），若在刀具后刀面B區(qū)溝槽磨損VBmax≥0.6mm，在后刀面B區(qū)溝槽磨損平均值VB≥0.3mm，則為刀具鈍化。圖5

刀具磨鈍標準5

陶瓷刀具切削試驗為體現(xiàn)陶瓷刀具的切削優(yōu)勢，以機匣零件為實例，使用新切削方法進行試驗，根據(jù)使用壽命的評價標準來評價陶瓷刀具的切削壽命，計算切削工件的刀具成本，與硬質合金切削成本進行對比。5.1試驗設置（1）試驗刀具及零件選取選取的鎳基高溫合金機匣，加工余量大（見圖6），其材料為典型難加工材料鎳基高溫合GH4169，單邊最大的加工余量為38mm，總高度為220mm，直徑方向最大尺寸為φ

420mm，內徑為280mm。該機匣的結構尺寸較大，故選用功率較大且主軸強度較好的數(shù)控立式車床加工較合適。根據(jù)其加工時裝夾固定要求，使用單動卡盤定位固定內孔，如圖7所示。此種裝夾方式能夠保證零件在高速切削狀態(tài)下定位固定可靠，不會移動，保證其切削過程中的安全性。圖6

機匣加工余量示意圖7

機匣裝夾固定

粗加工去除大余量，刀片和刀桿承受的切削力較大，要求刀桿和刀片（見圖8）強度較好，選用強度較好的圓形陶瓷刀片半徑為6.35mm，其型號為RNGN-120700TIXSYTIN-1，刀片的前角、后角角度都為0°，一般可利用的切削刃達8個。選用32mm×32mm的方形刀桿，其型號為C-MCLNR-3232P12。

a）陶瓷刀片

b）刀桿圖8

陶瓷刀片和刀桿（2）試驗參數(shù)設置根據(jù)選用的陶瓷刀具型號、零件材料和機床轉速等情況，選擇推薦的切削參數(shù)：v=200m/min，f=0.3mm/r，ap=1～2mm，硬質合金刀具的切削參數(shù)根據(jù)以往積累的經(jīng)驗，選擇最佳值。各次試驗的參數(shù)設置情況如下。第1組試驗：采用斜向變背吃刀量方法時陶瓷刀具切削參數(shù)設置：切削速度為v=200m/min，進給量為f=0.3mm/r，背吃刀量為ap=1～2mm。采用舊切削方法時陶瓷刀具切削參數(shù)設置：切削速度為v=200m/min，進給量為f=0.3mm/r，背吃刀量為ap=2mm。

第2組試驗：進行倒棱處理時陶瓷刀具切削參數(shù)設置：切削速度為v=200m/min，進給量為f=0.3mm/r，背吃刀量為ap=1～2mm。未倒棱處理時陶瓷刀具切削參數(shù)設置：切削速度為v=200m/min，進給量為f=0.3mm/r，背吃刀量為ap=1～2mm。

第3組試驗：進行軸肩降速時陶瓷刀具切削參數(shù)設置：切削速度為v=200m/min，進給量為f=0.3mm/r，背吃刀量為ap=1～2mm。未進行軸肩降速時，陶瓷刀具切削參數(shù)設置：切削速度為v=200m/min，進給量為f=0.3mm/r，背吃刀量為ap=1～2mm。

第4組試驗：陶瓷刀具切削參數(shù)設置：切削速度為v=200m/min，進給量為f=0.3mm/r，背吃刀量為ap=1～2mm。硬質合金切削參數(shù)設置：切削速度為v=25m/min，進給量為f=0.2mm/r，背吃刀量為ap=0.2mm。5.2試驗結果對比（1）各組試驗結果

第1組試驗：使用變背吃刀量的方法，陶瓷刀具單刃的加工時間超過5min，刀具后刀面磨損嚴重；未采用變背吃刀量方法而采用常規(guī)切削方法時，刀具加工時間僅為2min，刀具后刀面磨損嚴重，并有溝槽磨損，如圖9所示。通過對溝槽磨損的范圍進行測量，VBmax約為0.8mm，已經(jīng)超過了刀具的鈍化標準，且加工過程中刀具切削聲響明顯加大，振動劇烈，零件加工完成后表面粗糙度較差。根據(jù)刀具的磨鈍標準，該刀片的使用壽命約5min。圖9

陶瓷刀片磨損狀態(tài)第2組試驗：零件存在棱邊或毛刺時，陶瓷刀具以正常的切削方式，直接從棱邊或毛刺處切入，刀具受到較大沖擊，刀具直接崩刃（見圖10），導致刀具無法繼續(xù)使用。而將零件倒棱或去毛刺后，刀具切削正常，未出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，刀具壽命正常。圖10

陶瓷刀片崩刃狀態(tài)第3組試驗：使用陶瓷刀具切削到零件軸肩位置，進給速度不變，當?shù)毒咔腥牒螅苯映霈F(xiàn)剝落現(xiàn)象（見圖11），繼續(xù)使用后，刀具磨損急劇加快，出現(xiàn)振動響聲加劇，機匣表面粗糙度變差，無法正常使用。在接近軸肩3mm時，降低50%進給量，以慢速切入軸肩，刀具切削正常，不會出現(xiàn)刀具剝落現(xiàn)象。圖11

陶瓷刀片剝落狀態(tài)第4組試驗：給定的切削速度為v=200m/min，進給量為f=0.3mm/r，背吃刀量為1～2mm的變化值，刀片單刃的使用壽命達4～5min，在刀片的使用壽命內零件加工后的表面粗糙度較好。與硬質合金刀具相比，切削速度的提升最為明顯，是硬質合金切削速度的8倍。該機匣使用硬質合金刀具加工時間約為5.2h，而使用陶瓷刀片加工可將時間縮短至45min左右。（2）各組試驗結果對比第1組試驗中采用不同切削方法時陶瓷刀具壽命的對比情況見表1，陶瓷刀具采用新方法刀具壽命相比于舊方法，刀具單刃使用壽命由2min提高至5min，提高2.5倍。表1

采用不同切削方法時陶瓷刀具壽命對比第2和第3組試驗中陶瓷刀具與硬質合金切削的方法一致時，陶瓷刀具易產(chǎn)生崩刃、剝落等現(xiàn)象，直接導致刀具無法使用，而采用新切削方法時，刀具能按正常的情況進行切削。第4組試驗中零件正常加工需要1.5片陶瓷刀片，其市場單價為220元，刀具成本為330元，切削時間45min。使用硬質合金刀片約需消耗6～7.5片，其單價約為70元，刀具總成本約為420～525元，切削時間為5.2h。陶瓷刀片加工該機匣刀具使用成本可節(jié)約90～195元。陶瓷刀具和硬質合金刀具切削機匣時間及消耗成本對見表2。

表2

陶瓷刀具和硬質合金刀具切削機匣時間及