基于车铣复合的高温合金加工工艺研究

基于车铣复合的高温合金加工工艺研究

黄振国,1,吴超超,2,周仁特3,苏立伟4

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摘要：伴随着制造业的快速发展，使得难加工材料中高温合金用于航空发动机成为现实，但是因为高温合金具有高强度和高硬度、加工硬化程度重、导热率小、切削区域切削力大、切削温度高，致使其加工效率不高、表面质量较差，加工成本高这一难点问题，在车铣复合加工的基础上，从切削参数确定和刀具选择两方面研究了镍基高温合金GH4169在加工过程中存在的问题，旨在为该合金的高效、优质加工提供一定的参考依据。

关键词：高温合金；车铣复合；切削参数；刀具选择；加工工艺

随着航空发动机性能需求的日益增加，人们对于制造材料耐热性及耐腐蚀能力的要求也日益增加，而高温合金是一种能够在高温下长时间稳定运行的高温金属材料，它已经成为航空发动机领域中不可缺少的物质，但是因其物质特性如何进行高效率和高精度的加工仍是航空制造业急需解决的主要课题之一。近年来随着车铣复合加工中心向高效率、高精度、智能化和复合化方向发展，对解决高温合金材料加工难的问题提供了极大地帮助。但车铣复合加工工序集中地提高了加工效率，但存在工件加工变形回复时间较短，关键尺寸难以达到图纸设计要求；如果切削参数的设定不合理，还会对表面加工质量造成影响。因此，研究高温合金材料的加工工艺，对于我国航空航天事业发展具有现实意义和应用价值。

1.高温合金GH4169的材料特点

高温合金GH4169熔化温度在1260~1320°C之间,-253~700°C之间稳定性很高，并且具有优异的高温强度，硬度，抗氧化及耐腐蚀性能等，在航空，航天和新能源等领域有着广泛的应用前景。

GH4169良好的力学性能还提高了加工难度，具体表现如下:

（1）切削力较大。GH4169因其材料特性使其切削时切削力大、刀具切削阻力增大。

（2）切削温度较高。GH4169导热系数较低，散热性较差，切削区中，切削力也较大，因此集中了大量切削热而形成较高切削温度。

（3）加工硬化趋势较大。当切削温度过高时,GH4169工件的加工表面会与周围介质中的氮、氢、氧等形成硬脆层，同时还会产生很大的塑性变形，给加工带来困难。

（4）刀具磨损严重。GH4169具有硬度大、难以切削等特点，同时所产生切削热过大也会使刀具磨损加重、寿命降低。

（5）切屑难于加工。GH4169具有较高强度和塑性韧性，致使切屑成带状分布，容易缠绕刀杆而不易剥落，既影响切削又不安全。

（6）切削变形较大。加工过程中产生切削温度高、切削力大等因素都将使工件发生热变形而难以保证加工精度。

2.车铣复合加工的特性

车铣复合加工中心为装备有Y轴、高扭矩动力刀、C轴、动力刀选项可带动标准VDI轴或者径向驱动刀进行二级作业。车铣复合加工中心不只是车削与铣削单独切削工件，它还能完成车铣合成运动以达到加工工件目的。通过铣刀与工件同步转动来提高工件在加工精度，位置精度以及加工表面完整性方面的诸多需求。

车铣复合加工较普通数控加工工艺有如下优点:

（1）工序集中，生产效率高。通常装有十余个刀位，可装夹多把刀，缩短了装刀、换刀时间的混合式刀塔、工序集中地进行车铣复合加工，一次装夹可完成多道工序或所有工序加工，本实用新型在降低工装卡具制造周期及成本的前提下，缩短产品加工周期及提高加工效率。

（2）减少了装夹次数和加工精度的提高。工序集中，避免多次装夹造成的误差累积，既可提高加工精度又可保证同轴度及其他形位公差，同时还可改善机床性能，主轴为工件定位及重复定位提供更高精度。

（3）足够的冷却液使切削温度下降。车铣复合加工中心上安装的刀座上设置有冷却液出口，可调节方向并不断对切削时刀片和加工表面进行冷却，能有效解决高温合金切削温度过高的问题。

3.加工工艺研究

3.1刀具几何参数选取

前角：粗车，加工精度不需要保证，为提高加工效率切削深度将很大，前角可适当大些，但过大偏角降低了切削刃强度，恶变了排热标准，缩短数控刀片的使用期，一般为10°~15°；镗孔环节中，为确保尺寸精度和外表粗糙度的需求，偏角应选比较小的视角，一般为0度至5度。

前角:GH4169排热性能差、钻削温度高，为了增加数控刀片使用期限减少后刀面和生产表层间磨擦应选用大前角，可以选择在10°~18°范围之内。

主偏角：主偏角危害切削速度沿径向和轴向角度的作用力，主偏角越多，轴向钻削作用力越低而径向车削作用力越多，钻削GH4169应选用主偏角比较小的钻削方法，但太小的主偏角会大大增加轴向钻削作用力，易产生震动，震动范畴一般为45°~70°。

刃倾角：精车，断续切削及埋孔加工过程中，为了保护刀刃并把切削排回，刃倾角应呈负值，一般为-10°；在镗孔、生产加工埋孔的过程当中，为防止切削划伤被生产加工面，刃倾角取0~3度就可以。

刀刃圆角半径：刀刃圆角半径不能低于较大切削速度1.25倍，不然刀头跑偏、生产加工表层呈螺牙状、初加工，挑选大一点的圆角半径深度加工。

3.2确定切削参数

合理地选择切削速度，进给量和切削深度等尺寸，以提高加工效率和降低加工成本，同时确保加工精度。

切削速度的高低决定了加工成本与加工效率的高低，切削速度的提高将使加工效率提高，但是也加快了刀具的磨损而使加工成本升高。在车削过程中，根据机床性能和车削工件的直径取到了合适的切削速度数值，在切断或切槽过程中，因刀片与加工表面摩擦大，切削速度应适当减小。

进给量和刀尖圆弧半径对工件表面粗糙度有较大影响。切削时如果增大进给量摩擦热将增大，加工精度很难保证，如果进给量如果太低还会使加工效率下降，因此在粗加工中选用大的进给量而在精加工中采用小的进给量是可行的。车削过程中粗车进给量通常在0.1mm/r~0.5mm/r之间，精车进给量可取较少；在铣削过程中，进给量按铣刀直径来选取，每齿进给量在0.03mm·z~0.25mm·z-1之间。

切削深度关系到待处理工件去除余量的大小，在粗加工过程中，应比有效切削刃短一些；在精加工过程中，尺寸不能太小，也不能大于刀尖圆弧半径的三分之一。

3.3加工工艺路线的设计原理

本实用新型针对车铣复合加工中心刀位数量多的特点，充分利用每个刀位最大限度地减少了换刀数量，同时确保了刀塔转动切削过程中不发生撞刀或者撞伤尾座，从而提高了加工效率。合理的加工路线，一般遵循先粗后细、工序集中、一次定位、先面后孔等原则。尽可能做到一次装夹就可以完成零件全部或绝大部分工艺，缩短了生产周期，同时提高了加工精度。

铣削高温合金型腔过程中，如果去除余量大，则工件易受大切削力影响而发生变形，应保留精加工余量以使工件具有一定的变形回复时间，并完成上道工序中关键尺寸精加工。

4结语

本文从车铣复合加工中心加工特点和高温合金材料特性出发，在理论分析和实际加工生产经验的基础上，对GH4169材料切削过程中刀具的选用进行了分析和总结、切削参数确定、加工工艺路线设计原则等问题，并通过合理安排按排加工工艺来解决GH4169轴类零件切削温度偏高的问题、切削变形较大等困难，满足图纸设计的要求，提高刀具的使用寿命。通过研究高温合金的加工工艺，使其达到航空发动机性能的要求。

参考文献：

[1] 吴明阳，王博，程耀楠，等.高温合金材料特性及加工技术进展[J].哈尔滨理工大学学报，2015，6.

[2] 李郁，田卫军，雷玲，张昆鹏.航空典型难加工材料切削加工技术研究进展[J].装备制造技术，2018，4.

[3] 沈卫平.航空材料加工中刀具材料的选用[J].航空制造技术，2007，7.