随着科学技术和人类文明进步的需要,机械产品高性能、多功能、高质量要求十分强烈,产 品结构要求也更加紧凑,零件尺寸向微细化开展.为满足上述要求,具有高硬度、高韧性和 高耐磨性的难加工材料在产品中使用得越来越多.
以发电设备为例,汽轮机从30万普通机组到超超临界100万以及燃机等大功率高参数设 备,耐高温、耐磨、耐酸的零部件材料采用馍基高温合金或其它难加工材料的比例正在快速 增加.据不完全统计,十余年前企业以常规机组为主导产品时,所涉及的高温合金等难加工 材料仅GH132等极少数的零件材料.而目前,因火电、气电、核电、风电等新产品的特殊要 求,高强度不锈钢、抗低温脆性金属、高温耐热合金等十余种材料给切削加工带来了很大难 题,其中高温合金就有近十个牌号,所涉及零件有十余种.这里只就银基高温合金孔加工问 题进行技术探讨.
与一般钢材相比,高温合金的切削加工难点主要表现在以下几个方面：
1〕加工硬化倾向大.比方GH4169未强化处理的基体硬度约HRC37,切削后表而产生0.03 亳
米左右的硬化层,硬度增加到HRC47左右,硬化程度高达27%.加工硬化现象对刀具寿 命有很大影响,通常会产生严重的边界磨损. 2〕切削力大.高温合金强度比汽轮机常用合金钢材料高30%以上,在600c以上的切削温 度下,银基高温合金材料的强度仍高于普通合金钢材料.未强化处理的高温合金单位切削力 在4000N/mm2以上,而普通合金钢仅2500N/mm2o
3〕材料导热性差.切削高温合金时产生的大量切削热由刀具承受,刀尖承受了高达800〜 1000C的切削温度,在高温和大切削力作用下,将导致切削刃产生塑性变形、粘结与犷散 磨损.
4〕银基合金主要成份为银和珞,另外还添加有少量其它元素：钥、钥、银、鸨等,值得注 意的是,包、银、铝等也是用来制造硬质合金〔或高速钢〕刀具的主要成分,用这些刀具加工 高温合金会产生扩散磨损和磨料磨损.
孔加工的一般特点
孔加工是切削加工中难度较大的加工方式,属半封闭式加工.特别是实心钻孔时,切削 热极易
滞留在切削刃附近,切削热和切屑的及时排出很困难,这是影响刀具寿命的关键所在, 必须给以足够的关注.
镣孔和扩孔加工是在有预钻孔条件下切削,与车削加工状态相似,但刀杆系统刚性随孔的深 径比增加而呈三次方递减,通常镣孔和扩孔的刀杆系统刚性比车削和铳削条件低得多.为了 保证孔加工精度、改善排屑条件,刀刃结构、刀杆直径和刀杆强度必须给予合理匹配.
高温合金孔加工技术难点
相对于一般钢材切削加工,切削高温合金的刀具寿命要低50%以上,加工效率很低,加 工本钱也高得多.高温合金孔加工主要难点是：
1〕切削力大,消耗机床功率大.比方,采用某进口品牌的068机夹扁钻在GH901上进行 实心钻孔,功率消耗大于30KW,而用相当直径的机夹复合钻在15CrM.汽缸中分面上钻孔 功率消耗低于10KW.
2〕孔加工是半封闭的切削,产生的高切削热和断屑困难的切屑难以及时排出远离刀尖,刀 具磨损更为剧烈.例如,在采用普通麻花钻钻GH901时按普通材料切削用量加工,仅几分 钟,刀尖
就呈现出蓝外表的烧伤现象.
3〕用普通的钻削方法难以保证高温合金孔的精度要求.其原因是钻削轴向力大,用摇臂钻 床等系统刚性较差的设备加工,钻头等刀具易产生较大的弯曲,导致钻孔偏斜,影响钻孔精 度.例如,用普通麻花钻加工GH901阀杆014.5径向孔时,钻头在较大的钻削力作用下, 发生弯曲,刀刃磨损极快,无法正常切削：改为镣床钻孔,在其它切削条件不变的情况下, 顺利地完成了钻孔任务. 4〕高温合金孔加工中,刀具磨损比加工普通钢材快得多,且需要切削性能更好的刀具材料. 据研究资料统计,加工高温合金的刀具费用是一般钢材的5〜10倍.
高温合金孔加工刀具材料
可用于高温合金加工的刀具材料主要有CBN、陶瓷、硬质合金及高速钢.
中小型孔钻削加工的刀具材料推荐使用以超细晶粒合金作基体的新型涂层〔如TiAIN、 TiZrN〕硬质合金,这种材料具有优异的耐磨性和很低的摩擦系数,是目前难加工材料切削最 常用的刀具材料.如国内外一些刀具专业厂生产的整体硬质合金钻头及可转位银刀大量使用
了该项技术.
在高温合金钻、扩、较加工中,仍然大量使用高速钢材料.高速钢刀具材料的韧性比硬 质合金高得多,对机床精度和系统刚性要求没有硬质合金刀具高,因此在大中型孔的钻削加 工中更有优势.
高温合金实心钻孔
钻头根本结构及要求对银基高温合金类难加工材料进行实心钻削加工时,常用刀具有整 体钻头、机夹钻.机夹钻包括机夹深孔钻〔如机夹扁钻、可转位深孔钻〕和可转位浅孔钻〔用于 加工长径比小于5的实心孔〕.整体钻头包括硬质合金钻头和高速钢钻头,？20以下的孔推 荐使用整体硬质合金钻.使用整体硬质合金钻要求机床有足够的进给精度、回转精度和刚性. 普通银铳床及钻床主轴跳动一般超过0.05亳米,不能满足硬质合金钻头使用要求.钻头应 优先采用公差等级H6圆柱柄,并用精密强力夹头或液压夹头装夹,以提升刀具系统精度.
关于整体硬质合金钻头〔以及焊接硬质合金钻〕的刃磨,要求有数控刀具磨床及相关修磨软 件,如果企业没有修磨条件,可以优先推荐使用高速钢钻头加工高温合金.
钻削高温合金,要求钻头有更好精度,据有关资料介绍,一些航空航天加工厂钻削这类 材料时要求其钻尖径向跳动不大于0.02亳米.钻头的关键还是钻尖的结构,包括锋角、横 刃宽度、前角以及钻尖的对称性.
增大锋角可减少刃屑接触长度,降低切削热,改善钻头切削条件.高温合金钻头的锋角 推荐135.〜140..
钻头横刃对钻削性能有非常大的影响,一般情况下,横刃处的钻削力可占整个钻头切削 力的60%左右,如果不对横刃进行适当的修磨处理,在钻削高温合金材料时,钻尖很快就 会磨损烧伤.S形〔国内叫十字形〕修磨,就是为了加大横刃处前角,减少横刃的长度.未经 修磨过的钻头,横刃处前角为一30方右,经“十字修磨〞后横刃处前角大于一 15..这是降低 钻头扭矩和切削热的有效途径,这对延长刀具寿命和提升切削条件十分有利.国内外开发的 许多新型钻头产品,其横刃均有此特点.
钻削高温合金孔的钻尖要有足够的对称性,这是限制孔尺寸和位置精度的必要条件.采用 机磨是限制钻头锋角、横刃对称性的最好方法.
钻孔冷却方式为了便于排屑,市场上推出了内冷孔钻头,可供应充足的水溶性冷却液或 雾状冷却剂等,使排屑变得更为顺畅,这种方式对切削刃的冷却效果也很理想.但该钻头要 求机床具有内冷系统,或者有外冷转内冷机构.同时,该类钻头的刀具本钱高,而且刀具修 磨一般要求在刀具刃磨中央上重磨.
在一般情况下,钻削可以采用外冷方式.加工高温合金有效的冷却是必不可少的,水基 切削液是冷却效果最好的切削液.为了改善实心钻孔的冷却条件,喷液嘴应尽量接近钻头入 口处,并与钻头轴线夹角小于30.,喷液方向尽量与钻头螺旋沟槽方向一致,见图所示.
外冷方式
高速钢麻花钻高速钢麻花钻是低速加工高温合金的传统刀具,其优点是容易手工修磨,刀 具材料韧性好,对机床的要求相对较低.下面是用高速钢麻花钻加工高温合金孔的实例.
工件材料：GH901
机床：数控落地辕床TK6513,机床功率30KW
钻头：普通HSS麻花钻,锋角140° ,横刃修磨要窄0.2mm
钻头尺寸：012.3X80
切削用量:Vc=3. 864m/min, fn=0. 06mm/r
冷却条件：外冷,马斯特水基切削液,每钻进3mm立即退刀,预防钻刃空转与孔底反复挤压 磨擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度,钻尖全部退出,其目的是对钻头及孔内进行 冷却,提升切削液冷却效果,改善排屑条件.
一个孔加工时间：17分钟
刀具磨损：锋刃有较稍微的磨损
加工效果：孔的直线度、表而粗糙度均到达了预钻孔要求
可转位浅孔钻可转位浅孔钻是带可转位硬质合金刀片的高效钻孔刀具,其钻孔效率是普通 钻头的4倍以上.东汽最早在贝拉尔蒂数控银床上用于加工普通钢材料法兰面螺栓孔,目前 已在常用钢材加工中广泛使用.通过试验该钻头也能用于高温合金阀杆的钻削加工,但要求 刀具有如下结构特点： 第一、刀片要有较锋利的切削刃,以降低钻削力：
第二、刀片断屑槽要合理,减少切屑的过分卷曲变形带来的大量切削热；
第三、根据机床功率选用适宜的刀具直径；
第四、选择适宜的刀具长径比,尽量增加刀具系统刚性.
现以高温合金轴类零件071X240径向孔加工为例进行分析.
1浅孔钻的选择
与整体钻和硬质合金焊接钻相比,浅孔钻的切削力较大,在选择时要考虑系统刚性和机床功 率等根底问题.为了满足高温合金对钻头的要求,首先选择刚性较好的3倍径浅孔钻.
另外经试验,钻头直径选择068时,切削消耗功率接近TK6513数控落地镣床的额定功率
30KW.为此,结合现有资源,选择了 058的浅孔钻.具体规格如下:
钻头规格：058X174
刀片型号:P28479—7 WAP35
2切削用量的选择
如前所述,高温合金材料的切削加工性很差,在加工中的切削用量要比加工普通材料低得多, 如在车削GH901阀杆时切削用量仅为Vc=25m//niin. fn=O. 15mm/r. ap=2mmc而高温合金实 心孔的钻削难度更是高于一般车削加工.另外,实心钻削加工刀具排屑空间很有限,还需要 考虑排屑的状态,试验说明,“C〞型屑有利于排屑,较合理的切削用量如下〔钻头半径为 29mm〕：
VcW20m/min、fn=O. lmm/r
3钻削方法
因机床无内冷系统,切屑无法及时排出.为克服该问题,减少切屑对刀具寿命的影响,同麻 花钻钻孔情况相同,需采用间隙进给方式,即每钻5亳米深度立即退刀,以预防钻刃空转与 孔底反复挤压磨擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度,钻尖要全部退出,K目的是对 钻头及孔内进行冷却,提升切削液冷却效果,改善排屑条件.
因钻头有效钻削深度不够,加工中采用了分头钻削方式,即先从一端钻至钻头工作深度,再 调头从另一端钻削接通.
4柱而钻孔前要求
在圆柱面上直接钻径向孔,与在斜面上钻孔一样,会使钻头偏斜,影响孔的位置和尺寸精度. 因此在钻孔前必须首先用大于钻头直径80以小于孔最终直径的铳刀铳削出一个平而,保证 钻头轴线垂直于被钻孔外表.浅孔钻就不会偏斜中央,以保证钻出的底孔位置正确.
