細長軸類高溫合金車削加工

趙惠光

摘 要：細長軸類零件是車削加工的一大難點，而高溫合金材料也被制造業(yè)認定為車削加工難度大的材料，因而細長軸類高溫合金車削加工面臨更大的難度?；诖耍疚囊院娇瞻l(fā)動機高溫合金GH4169螺栓的車削加工為例，首先討論高溫合金車削加工難點以及刀具選擇，進而提出了硬質(zhì)合金車刀進行車削加工的工藝。

關(guān)鍵詞：細長軸類零件；高溫合金；車削加工

前言

目前高溫合金材料的車削加工工藝不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，更多的新型刀具也逐漸被研發(fā)出來，高溫合金材料的車削加工難點正在逐步克服，但還需要從車削加工刀具選擇與加工工藝應用等層面加以優(yōu)化，保證細長軸類高溫合金材料的車削加工質(zhì)量與效率。

1.高溫合金車削加工難點及刀具選擇

1.1加工難點

細長軸類材料的車削加工，容易在車削力及車削熱的影響下產(chǎn)生材料形變，一旦材料形變，則刀具與零件之間的相對運動就失去了精準性，會對細長軸類的形狀產(chǎn)生影響，還有可能導致工藝系統(tǒng)震動，影響零件精密性。高溫合金材料的加工難度較高，所需要的車削力是一般金屬材料的2倍左右；高溫合金加工溫度最高可達1000℃左右，表面硬度高，加工硬化問題嚴重；容易發(fā)生塑性變形，環(huán)境溫度下，材料塑形變形的延伸率達到40%左右；加工中容易發(fā)生刀具磨損現(xiàn)象?；诟邷睾辖鸺氶L軸類材料的加工難點，需要考量高溫合金的具體性能，采用相應的刀具材料。

現(xiàn)有針對難加工材料的車削加工問題提出的解決措施包括：采用高性能刀具、優(yōu)化刀具幾何參數(shù)與車削用量、選用合理的熱處理方法以及復合加工技術(shù)等方式。有研究表明，對于難加工材料進行處理，基于材料性能選用合適的加工刀具，采用高速車削的情況下，車削速度的提升可以減少車削抗力，提高材料表面加工質(zhì)量，減少加工成本的投入[1]。

1.2刀具選擇

本文所提出的細長軸類高溫合金零件，為航空發(fā)動機的螺栓，采用高溫合金GH4169材料，該材料是鎳鉻鐵基高溫合金，具有較高的固溶溫度，抗疲勞、抗輻射、抗氧化、抗腐蝕性能較好，具備良好的加工性能與焊接性能，因而在航空、核能等工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛使用。針對GH4169材料的車削加工刀具主要包括三種：①硬質(zhì)合金刀具，具備較高的性價比，良好的導熱性能與較高的硬度，當車削速度不超過45m/min時，會產(chǎn)生良好的車削效果，但如果車削速度隨意提升，會產(chǎn)生大量的車削熱，影響刀具硬度與韌性，導致刀具及材料變形；②聚晶金剛石具備較高的硬度與耐磨性，摩擦系數(shù)較低、彈性模量及導熱系數(shù)較高。應用于實際的加工中，耐熱溫度不足，需要做好冷卻與潤滑處理，并且容易產(chǎn)生刀具磨損，并且控制車削速度在105m/min以下，以避免刀具發(fā)生粘結(jié)磨損現(xiàn)象。

1.3參數(shù)控制

①前角。前角會對車削過程中的材料形變及摩擦力產(chǎn)生影響，影響刀具強度。前角越大，則刀具越鋒利，切削力與切削熱越小，積屑瘤越少。同時，前角增大影響刀具強度，容易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，提升切削溫度，影響刀具壽命。為此可以將前角控制在5°～15°之間；②后角。影響刀具與工件之間的摩擦，影響刀具壽命及工件加工質(zhì)量，可以將其控制在15°以上；③刃傾角。出于保障切削刃輕度與鋒利度的考量，精密車削加工時刃傾角選擇0°。

2.細長軸類高溫合金車削加工工藝

2.1傳統(tǒng)加工工藝方法與刀具

細長軸類金屬零件本身的加工難度就比較高，而高溫合金材料的細長軸類加工難度更高，以螺栓高溫合金GH4169車削加工為例進行探討。以往對材料進行車削加工時，加工工藝流程為：下料→粗車成型→磨外圓→螺紋滾制→銑扁→檢查→氧化。車削加工采用的刀具包括機卡式外圓車刀以及車削鉆床。

傳統(tǒng)車削加工工藝的應用，存在零件加工之后工件形狀不符合要求等現(xiàn)象，材料車削型面中存在變形問題。由于工件被固定，工件兩端的距離始終不變，工件軸向伸長量被限制，細長軸就出現(xiàn)變形情況，而一旦變形情況產(chǎn)生，就車削工藝就難以再進行下去，工件的質(zhì)量與加工效果難以保證。針對這種情況，以往采取的處理修復方式為：往往需要對工件形變現(xiàn)象加以修復，但受到工藝水平的影響，往往難以將其修復到應有的效果。傳統(tǒng)的車削加工工藝較為復雜，且具有較大的隨機性，可能會出現(xiàn)部分工件規(guī)格失控的現(xiàn)象。

2.2硬質(zhì)合金車刀車削加工的優(yōu)化效果

高溫合金螺栓的車削加工處理，從車削加工的技術(shù)性及經(jīng)濟性的角度考量，可以采用性價比高的硬質(zhì)合金刀具，基于高溫合金車削加工的難點與所面臨的問題，對傳統(tǒng)車削加工工藝加以優(yōu)化，采用整體硬質(zhì)合金車刀，融合優(yōu)化后的車削加工工藝。

對比傳統(tǒng)高溫合金材料車削加工工藝，以及整體硬質(zhì)合金導桿及優(yōu)化后的車削加工工藝，首先，優(yōu)化后的工藝解決了傳統(tǒng)高溫合金材料車削加工中的變形現(xiàn)象，工藝中車刀浮動支撐，影響加工精度。整體硬質(zhì)合金車刀的應用，避免車刀浮動支撐的弊端。采用整體硬質(zhì)合金車刀，車削型面加以精鏜處理時就足以應對這種現(xiàn)象，簡化工件修復程序，保障車削加工精度；最后，以整體硬質(zhì)合金加工工藝對螺栓進行車削加工實驗，細長軸的形狀得到了精準控制，提高車削加工質(zhì)量與效率。對優(yōu)化后的高溫合金材料車削加工工藝進行該實驗，與傳統(tǒng)的車削加工工藝應用加以對比，確定優(yōu)化后的高溫合金材料車削加工工藝應用可以滿足工件尺寸精度要求與技術(shù)要求[2]。

結(jié)語

以高溫合金螺栓車削加工為例，綜合考量細長軸類螺栓高溫合金材料的加工難度，選擇適用于該種高溫合金材料的硬質(zhì)合金刀具，結(jié)合整體硬質(zhì)合金車刀及優(yōu)化后的加工工藝，對傳統(tǒng)工藝及優(yōu)化工藝進行比對，明確硬質(zhì)合金刀具在工件車削加工工藝中的所起到的效果，保證車削加工工藝的科學性。

參考文獻

[1]吳雁玲，董春，任玉紅，等.精密螺栓加工變形工藝研究[J].機械管理開發(fā)，2018（3）.

[2]王世威.高溫合金渦輪后軸加工工藝研究[D].大連理工大學，2014.

（作者單位：貴州航天精工制造有限公司）