高溫合金材料切削加工研究

馬少榮

摘要：高溫合金是一種能夠在650℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金的材料特征使其成為航空發(fā)動機(jī)中不可替代的關(guān)鍵材料。在先進(jìn)發(fā)動機(jī)研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動機(jī)總量的40%-60%。所以，高溫合金材料也被譽(yù)為“先進(jìn)發(fā)動機(jī)基石”。

關(guān)鍵詞：高溫;合金;材料;加工;

高溫合金是航空航天、運輸、航海及核電工業(yè)領(lǐng)域必需的金屬材料，特別是鎳基高溫合金的發(fā)展為我國航空發(fā)動機(jī)性能的提升起到了重要意義。在航空、發(fā)電設(shè)備和造船行業(yè)都能看到高溫合金的身影，這種材料能在650℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作，但是這種材料的切削比較困難。

一、高溫合金材料切削加工難點分析

（一）切削溫度高。高溫合金是航空航天工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種難加工材料。因其導(dǎo)熱系數(shù)小、摩擦系數(shù)大及切屑與前刀面接觸面積小等原因，使得高溫合金材料在加工時，切削溫度高，還比切削45號鋼高60%左右。切削溫度主要受切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材料、刀具磨損和切削液的影響。盡管切削熱是切削溫度上升的根源，但直接影響切削過程的卻是切削溫度，切削溫度一般指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。

（二）切削力大。切削力是指在切削過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。通俗的講：在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產(chǎn)生的阻力。由于高溫合金的加工需求也逐漸提高，但其材料的難加工性是制造中的難點，主要表現(xiàn)在切削過程中存在切削力大、刀具磨損嚴(yán)重及切削溫度高等現(xiàn)象。高溫合金強(qiáng)度高，變形抗力大，切削力和普通鋼相比高出一倍。切削硬材料時，刀屑接觸長度短，切削力及切削熱都集中在切削刃附近，很容易使切削刃剝落，甚至崩刃，這對硬質(zhì)合金及陶瓷等材質(zhì)較脆的刀具材料尤為明顯。

（三）加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。加工硬化帶來的加工材料表面質(zhì)量下降是尖端制造領(lǐng)域必須考慮的因素，尖端制造領(lǐng)域中對零件的表面質(zhì)量要求較高，要獲得良好的表面質(zhì)量通常需要經(jīng)過多次的半精加工和精加工，多次的加工工序會加劇加工硬化，從而影響加工精度。金屬隨著變形量的增加，其強(qiáng)度硬度增加，而塑性韌性下降，這種現(xiàn)象稱為“形變強(qiáng)化”或“加工強(qiáng)化”。金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力等。加工硬化的程度通常用加工后與加工前表面層顯微硬度的比值和硬化層深度來表示。

二、高溫合金材料切削加工技術(shù)

（一）降低切削溫度。切削溫度一般是指切屑、工件與刀具接觸區(qū)域的平均溢度.切削溫度的高低，除了用儀器測定外，還可以通過觀察切屑的顏色大致估計出來。航空航天發(fā)動機(jī)部件必須能夠承受極端高溫，目前對該需求日益增長，這一溫度已經(jīng)超越了其它高性能超級合金的能力極限。在較高溫度時，仍保持高強(qiáng)度。加工時所需切削力是普通合金鋼材料的2-8倍;切削熱量高：高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，加工時熱量集中在切削區(qū)，不易擴(kuò)散，致使切削刀具迅速磨損。切削速度對切削溫度影響最大，隨切削速度的提高，切削溫度迅速上升。而背吃力量變化時，散熱面積和產(chǎn)生的熱量亦作相應(yīng)變化，故對切削溫度的影響很小。因此，高溫合金材料可以被特制成能夠承受更高溫度的材料。對于高溫合金的加工，一方面切削加工中特別是車削加工要求良好的耐磨性好，另外耐熱合金等材料的加工中產(chǎn)生的熱量高，又要求材料具有良好的耐熱性能。

（二）合理切削用力。在高速切削時，碳元素會從含碳量高的材料向含碳量低的材料擴(kuò)散。強(qiáng)烈沖擊作用引起的磨損——在斷續(xù)切削時，由于強(qiáng)烈的沖擊作用或在頻繁的加熱與急劇的冷卻而產(chǎn)生的脆性破壞。對切削用量進(jìn)行了優(yōu)化，求取最長切削路程對應(yīng)的最佳切削溫度，在此基礎(chǔ)上利用最佳切削溫度得到了最佳切削參數(shù)組合，實現(xiàn)了切削用量的優(yōu)化。在切削熱的作用下，刀具與切屑、刀具與工件接觸區(qū)產(chǎn)生很高的溫度，由于刀具與工件的材料的不同，便構(gòu)成熱電偶而產(chǎn)生熱電動勢，從而產(chǎn)生熱電流。在熱電流的作用下，碳的離子發(fā)生遷移，會導(dǎo)致刀具材料組織變?nèi)?，使刀具的磨損加劇。以及切削用量三要素中的切削速度、進(jìn)給量、切削深度。其中切削速度影響最大。

（三）防范加工硬度。高溫合金加工硬化嚴(yán)重，必須保持刀刃鋒利，不允許有鋸齒等缺陷，一般不鐾磨出負(fù)倒棱，如要鐾出，也要比切削一般鋼材要小。由于高溫合金具備高延展性和高強(qiáng)度雙重特點，加工硬化傾向嚴(yán)重，過小的后角或者圓弧后角容易引起過早磨損，這種平面后角可以有效的解決這個加工難點。加工硬化可提高金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，特別是對于那些不能以熱處理方法提高強(qiáng)度的純金屬和某些合金尤為重要。具較高強(qiáng)度、良抗熱疲勞、抗熱腐蝕耐磨蝕性能且較焊接性適于制作航空噴氣發(fā)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片噴嘴導(dǎo)葉及柴油機(jī)噴嘴等。理論上每次的切削深度要大于加工硬化的深度，否則會造成刀具磨損加劇，切削力增大，從而導(dǎo)致機(jī)床系統(tǒng)的振動，嚴(yán)重影響加工材料的表面質(zhì)量，因此，必須考慮加工硬化的影響。

三、結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源動力等領(lǐng)域?qū)Ω邷丨h(huán)境下具有較高強(qiáng)度和耐腐性的微小型零部件的需求日益增加。這些合金元素與其它合金元素構(gòu)成純度高、組織致密的奧氏體合金。而且有的元素又與非金屬元素C、B、N等構(gòu)成硬度高、比重小、熔點高的金屬與非金屬化合物， 具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能、良好的抗疲勞強(qiáng)度及斷裂韌性等綜合機(jī)械性能。因此，加強(qiáng)對高溫合金材料切削加工技術(shù)研究就顯得尤為重要了。

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