Inconel 718材料切削研究

■ 慶安集團有限公司 （陜西西安 710077） 孔德瑞

Inconel 718合金材料是一種新型的航空金屬材料，與國產(chǎn)牌號GH4169相近，在低溫和700℃以下具有高的抗拉強度、疲勞強度、持久強度以及抗氧化性。Inconel 718屬于鎳基高溫合金，合金中鎳含量為50%～55%，以國際鎳公司（Inco）標準為例，化學成分見表1。

此次加工Inconel 718合金是我公司首次加工此類材料，能夠用最低的成本和最高的效率完成加工，對公司來講既是機遇又是挑戰(zhàn)，雖然這次試加工的兩個零件都比較簡單，但是對于試驗加工效率以及成本統(tǒng)計來講是很好的例子。

1. Inconel 718 加工試驗

（1）試驗條件 試加工機床選用某車削加工中心，主軸最大轉速5 000r/min，最大功率25kW。試驗材料為Inconel 718，試件為棒料，冷卻方式采用乳化液內冷。所選刀具為硬質合金刀具，因為硬質合金的耐熱溫度為

表 1 Inconel 718化學成分（質量分數(shù)） （%）

800～1 000℃，而高速鋼的耐熱溫度為500～650℃，從這個數(shù)據(jù)來看，硬質合金比高速鋼更適合加工鎳基合金。硬質合金刀具切削Inconel 718的速度為20～30m/min,當?shù)毒咭?0～200m/min 高速切削時, 工件缺口處溫度的急劇升高會導致刀具邊緣過早變形或破碎。在本次試驗時選用的刀具切削速度為刀具壽命比較理想的一個數(shù)值，然后通過金屬去除率結合刀具切削壽命統(tǒng)計出每片刀具所能去除的材料，從而計算出加工成本，同時可以通過相關的參數(shù)計算出在這種參數(shù)下對設備的功率要求。

（2）試驗方案 對兩種不同零件進行切削試驗，記錄每種加工方式的切削參數(shù)。

1）零件1試驗，采用唯一變量的試驗方法進行Inconel 718高溫合金進行車削試驗，試驗方案及刀具壽命測試結果見表2。

試驗采用統(tǒng)一的線速度，每個零件外圓加工走5刀（見圖1），由于外圓直徑會變小，所以每刀時間略有變化，平均每刀時間為6.7min。所選的4種刀片來自不同品牌，但是都適合高溫合金加工，尤其是KC5525涂層，是一種具有PVD AlTiN涂層的細晶粒碳化鎢材質，具有很好的抗變形能力，很適合高溫合金材料的斷續(xù)切削加工。在統(tǒng)計過程中，刀具每走一刀，檢查一次刀片完好度，或者是在切削時聽到切削聲音異常時，立即停止切削并檢查，以刀尖破損為標準更換刀片。

表2 同參數(shù)刀具壽命試驗測試

圖1 零件切削加工

2）零件2試驗，采用同樣的試驗方式進行試驗，具體數(shù)據(jù)見表3。

零件加工狀態(tài)如圖2所示，此零件與上一個零件相比增加了銑削程序，所用銑刀的涂層也是PVD-TiAlN多層復合涂層。從零件的最終試驗結果來看，某品牌PVD AlTiN涂層中的KC5525涂層具有較好的壽命。

在試驗結束后，對零件進行檢驗，所有尺寸和表面粗糙度都符合工藝圖樣要求，零件加工合格。

圖2 零件加工狀態(tài)

2. 刀具壽命與成本核算

根據(jù)切削速度計算公式vc＝（Dc×π×n）/100（m/min）、金屬去除量計算公式Q＝vc×ap×f（cm3/min）和每片刀具金屬去除量公式V＝Q×t（c m3），可以計算出刀片每個刃口金屬去除量分別為45cm3、33.75cm3、26.25cm3和48.75cm3，而此零件外圓的金屬去除量V總＝π×（D2－d2）×L/4 =144（cm3）。

試驗中每種刀片都有4個刃口，結合上述數(shù)據(jù)可以計算出每個刀片平均加工零件1.1件，最好的刀片加工零件為1.4件。加工完的零件表面質量及外形如圖3所示。

在普通的不銹鋼加工中，以最常見的15-5PH沉淀硬化不銹鋼為例，切削速度約為Inconel 718的2～4倍，切削深度ap約為Inconel 718的1.1～1.3倍，進給速度約為Inconel 718的1.1～1.3倍，刀具壽命t約為Inconel 718的3～5倍。通過上面的計算公式可以算出相同的金屬去除量Inconel 718所用的刀具成本約為15-5PH的17倍。

圖3 零件表面質量及外形

3. 所需機床功率計算

在兩個零件加工過程中機床負載平穩(wěn)，通過聲音等分析沒有表現(xiàn)出切削“吃力”的情況。在現(xiàn)有的切削參數(shù)下加工此類零件所需的機床功率可計算如下。

根據(jù)切削截面積計算公式A＝h×b＝ap×f（mm2）、主切削力計算公式Fc＝A×Kc×h－mc（N）和功率計算公式P＝（Fc×vc）/（60000×η）（kW）。

通過查閱相關資料可知，對于Inconel 718材料的Kc=2 900～3 000N/mm2，mc=0.25，在加工過程中機床效率系數(shù)約為η=0.75。結合圖4可以計算出在這樣的切削參數(shù)下所需功率P＝[（ap×f×Kc×（f×sink）-mc×vc]/（60000×η）＝0.53（kW）。

如果機床的負載需要控制在50%之內，那么所需的機床功率約為1.5kW；如果機床的負載需要控制在30%之內，那么所需的機床功率為2kW。這些數(shù)據(jù)只是針對硬質合金刀具，當使用陶瓷刀具切削時，由于線速度約為150m/min，此時所需功率約為3.18kW，所需的機床功率分別為7kW和11kW。

表3 同參數(shù)刀具壽命試驗測試

圖4 切削理論示意

對于銑削和孔加工，通過相同的方法可以得出所需功率都小于車削時的功率。

4. 加工硬化對刀具壽命的影響

從圖1可以看出此零件還有一個內孔，直徑為42mm，深度為72mm，對內孔的加工也進行了試驗，孔加工選用了φ39mm的U鉆，刀片涂層為KCU40。根據(jù)刀具樣本資料顯示此涂層為TiNTiAlN-PVD復合涂層，適合加工不銹鋼和高溫合金。

在鉆孔時轉速為300r/min，進給速度為0.05mm/r，根據(jù)加工經(jīng)驗，采用啄鉆。加工首件時，單刃口切削不到4min就嚴重破損，如圖5所示。分析其原因，切削一般金屬時, 加工硬化會因溫度升高引起的軟化現(xiàn)象被削弱。但Inconel 718 的軟化溫度高, 軟化速度慢, 在刀具熱硬性允許的切削溫度范圍內, 其變形硬化程度遠大于軟化程度。此外, 在較高的切削溫度下, 合金中的強化相從固溶體中分解出來, 呈極細彌散相均勻分布, 使材料表面強度和硬度進一步提高，切削加工后, 合金的硬化程度可達200%～500%。所以在后續(xù)零件的加工中取消了啄鉆，結果每個刃口切削時間變?yōu)?4min，完全高于原來的刀具壽命。

圖5 磨損的刀具

5. 結語

Inconel 718鎳基合金的難加工性決定了對切削刀具性能的依賴，要實現(xiàn)高效快速切削，對刀具的要求更為苛刻。從眾多數(shù)據(jù)并結合現(xiàn)有的研究來分析，硬質合金刀具的PVD-TiAlN多層復合涂層的切削壽命最長，此次試驗進行了統(tǒng)計，在常規(guī)切削參數(shù)下最好的刀片壽命約為13min，金屬去除量約為200cm3。通過與最常加工的15-5PH沉淀硬化不銹鋼的加工比較，可知加工Inconel 718所用的刀具費用大約為加工15-5PH不銹鋼的17倍，

加工Inconel 718對機床功率也有一定的要求，通過試驗數(shù)據(jù)得出，當機床的負載控制在30%時，機床的功率2kW就足夠，我公司所有車削設備的功率都＞5kW，所以當使用硬質合金刀具切削Inconel 718時，所有設備的功率都能夠滿足加工要求。但是在鎳基合金加工領域，也有很多人在研究陶瓷刀具以及立方碳化硼刀具對鎳基合金的高速切削，通過對比數(shù)據(jù)可以算出，如果以后加工需要用到陶瓷刀片，那么對設備的要求就會變高，功率要求需要＞11kW。這時車間的瀧澤NEX-108就不能滿足加工要求，可選擇NEX-115、TNL130AL等車床。

此外，Inconel 718的加工硬化現(xiàn)象對刀具壽命影響也比較大，所以在加工過程中選擇合適的切削方式對刀具的成本控制以及加工后的表面質量都有很大的幫助。