陶瓷刀具在发动机中介机匣加工中的应用

HEATS

摘要：采用陶瓷刀片进行了发动机中介机匣的粗铣切削试验，研究了陶瓷刀片加工镍基高温合金的切削性能，优化了切削参数和走刀路线，分析了高速干式加工的切屑形态，指出应用陶瓷刀具加工镍基高温合金是提高效率、降低成本的有效途径。
; J: p) Y" S' c% k/ r3 F: I. Y7 l) G+ p, ^2 u! i: P6 }7 n3 |0 k6 {- i( T4 q" ~6 o3 V, C: ~, `, l- R- E2 p$ W) J( r* b5 z7 |# ~) _/ h9 O( K2 r- ^) U2 W& x! H$ u4 |: }, ?* A; a' P) x- |" [! l4 V! O# P4 i" l& x2 f4 t6 ` J2 S/ b0 }! e7 o6 g3 N3 `9 \; ?. o( R- E1 G9 y3 S0 F" J; t6 D! c6 I% } z1 @( ^# d/ U& Q" ?8 \5 z: n- b3 a l) I p1 \6 |2 o! s |8 @/ C( U! }; O9 ~7 G/ [# Y! E( r9 N* l$ N( \' ~7 O+ G/ J, y k8 U8 ~ W9 ?0 R+ f5 e: u" c+ c& Z. J6 E; |! d9 P, x V5 X" o9 f2 I+ S7 K( o) d- n; _, x- I6 x& s* D6 A9 ?/ z; k) q1 D# J/ `. J7 V) Z1 a- [; ?2 o% z" Y0 P' v6 q4 C" T- J4 d1 C. t) s% S, a& v K( T' n9 K9 @2 B B, R% I6 k x p1 Z5 V$ @* _+ O* G1 O8 ^8 l! w. C7 B9 {. p* M/ ^" e$ s- s9 q3 Z: Q. N7 \, Y$ A4 A- Q( W6 C j) V2 C$ m# K- O0 M' B

表1 安装边切削试验结果

刀片材料	转速n (r/min)	进给率f (mm/min)	切深ap (mm)	切削时间 (s)	刀片磨 损情况
TiN金属陶瓷	4000	750	2	30	崩齿严重
TiN金属陶瓷	3500	716	2	32	崩齿
TiN金属陶瓷	2000	400	1	40	崩齿严重
Si3N4 赛阿龙陶瓷	4000	800	2	40	崩齿严重
Si3N4 赛阿龙陶瓷	1500	225	2	45	崩齿严重
Si3N4 赛阿龙陶瓷	1100	160	1	38	崩齿严重
Si3N4 赛阿龙陶瓷	800	70	0.5	35	大面积层剥

& X7 f7 N" g; X2 ?7 r5 |1 |# [

1 引言

: N" Y1 @, c/ i& q1 z) g

% Z1 e8 ~* N& V5 z. _

我公司为美国GE公司转包加工发动机部件——中介机匣，工件材料为高含镍量的镍基高温合金，属于典型的难加工材料(相对加工性仅为0.07)；工件形状十分复杂，中间有许多“岛区”，单边加工余量最大可达30mm以上，最小也超过20mm，加工难度很大。目前我厂采用硬质合金刀具进行铣削加工，但刀具磨损、破损严重，加工效率很低，造成刀具费用居高不下。为了提高加工效率、降低生产成本，我们尝试采用陶瓷刀具替代硬质合金刀具进行镍基高温合金的粗铣加工。为此，对陶瓷刀片的切削加工性能进行了试验研究。

6 R, i. _! @5 R% i! J! x$ \

2 试验内容与条件

5 q' c0 [* N, e6 z- o

切削试验内容 . v6 i, h4 P \) h

加工安装边的切削试验。 1 e( n3 ?% @+ v3 ]' s* X0 A2 P6 M

中介机匣的圆台切削试验(确定加工参数)。

中介机匣的开槽切削试验(优化加工程序)。

切削试验条件

试验用设备：德国德马机床。

试验用刀具：分别采用TiN晶须增韧金属陶瓷和Si3N4赛阿龙陶瓷两种陶瓷刀片和日本强力夹紧刀柄；铣刀盘直径：d=31.75mm，圆刀片的前角和后角均为11°。

切削方式：三齿端面干铣削，强风吹屑。

3 试验结果与分析

" ?5 p: i8 |4 }2 R: ?( L. Z' l

加工安装边的切削试验

& N2 A1 {6 F: U$ Z7 _+ T) y

本试验的目的是确定陶瓷刀片的切削性能。由于中介机匣使用的进口材料价格昂贵，为节约成本，利用报废的安装边进行切削试验。安装边材料为No.263，也属镍基高温合金，含镍量与Inconel 718相近，但硬度要低很多(22～25HRC)。分别采用TiN晶须增韧金属陶瓷刀片和Si3N4赛阿龙陶瓷刀片对安装边进行切削试验，试验结果如表1所示。
* M7 t& m& V# n) {& l& L5 q- D) E8 F& R8 b2 Y, n5 K& Q# ?/ b

图1 大面积层剥报废的刀片

由表1试验结果可见，虽然切削参数并不高，且切削时间很短，但陶瓷刀片的损坏却非常严重，出现了大面积层剥(见图1上部)，这表明陶瓷刀片并不适合加工安装边。由于No.263材料的硬度较软(22～25HRC)，用陶瓷刀片切削时易发生粘结磨损，在一定的温度和压力条件下，刀具与切屑及工件加工表面接触处的分子和原子引力大到足以使彼此粘结在一起，随着工件和切屑的运动，粘结界面发生塑性流动与剪断，有时会将刀具材料粘结到工件上，造成刀具磨损。此外，由于采用简易编程，走刀路线不符合零件形状，造成断续切削，使刀片发生崩刃和大面积剥落(见图1下部)。

中介机匣的圆台切削试验

本试验的目的是确定用陶瓷刀片加工中介机匣的切削参数。中介机匣的材料为Inconel 718(含镍量约51%，硬度32～55HRC)。分别采用TiN晶须增韧金属陶瓷刀片和Si3N4赛阿龙陶瓷刀片在907机匣上进行圆台切削试验，试验结果如表2所示。
( U; k6 x9 U8 J7 `7 [5 X+ ]' |3 P6 u! R) F* ?, [0 v1 p* {; `

' x5 ^1 s+ v3 f6 K+ s) U: @4 u8 \ E' q. L- q* Y- B$ F, _% d. L/ D4 L' @- j6 l; t3 N0 E$ @# p Y. w# [0 D. {* U, @3 Z5 g( U6 ^$ R% n, |6 V0 ~( T; E! A. r! x$ U! k5 n& B# F) [7 A2 e( h; U q4 @0 @ a, ?$ d) P7 S% W m8 q g" T( ]( h$ H2 F1 N% H0 Q: G! x) V8 c% Y! d, G8 t' H6 G. l1 F# q/ f. ~9 J; D) |2 T. k! B; p; d% b; l3 g# |6 w* s @8 w% N# W2 ~: V: i( d, _+ p/ z! i3 `* u6 ^, ^( Q$ e7 z) {0 f' Q/ {! e% G1 I, [: C) N- N: E4 s; O- n4 \* I2 _5 O0 t4 M+ a- u; D4 \6 H: @2 E# c3 e# D3 O1 _& J) _# I5 _/ z @4 b) X3 [ b& g" X# g) j# T6 L4 u( k8 f+ `/ h1 d, D# _, i6 r; u1 g% ?% \! ?5 e E* v/ V5 @7 q9 {* Y& i3 X7 L n7 h( }9 T) T7 i e- q- G1 \. v( |: M$ b" k+ Q$ I" L7 j2 \- u4 p0 V; s# i# y5 Q3 w5 K3 S' ^9 S' `6 u1 A5 n: @0 P9 V+ I6 X, X7 F6 V: {* }1 m' d' f1 g7 ]; m! k+ G7 T7 w1 V5 \5 B3 L) _0 l# M* ? 表2 中介机匣切削试验结果 刀片材料 转速n (r/min) 进给率f (mm/min) 切深ap (mm) 切削角 (°) 切削时间 (s) 刀片磨 损情况 TiN金属陶瓷 3500 716 2 30 70 崩齿严重 Si3N4赛阿龙 陶瓷 4000 1540 2 30 80 刀片半层 剥落 Si3N4赛阿龙 陶瓷 6000 1540 2 30 90 侧刃有崩齿 (未在零件 中)，刀片半 层剥落 Si3N4赛阿龙 陶瓷 7500 1900 2 30 110 刀片半层 剥落 Si3N4赛阿龙 陶瓷 7500 1800 2 0 138 崩齿严重 Si3N4赛阿龙 陶瓷 7500 2000 3 0 180 磨损不大 Si3N4赛阿龙 陶瓷 7500 2000 3 0 190 磨损不大 (刀片转新 面加工) Si3N4赛阿龙 陶瓷 7500 2000 3 0 190 磨损不大 (刀片转新 面加工)

图2 赛阿龙陶瓷刀片磨损情况

从表2试验结果可见，TiN金属陶瓷刀片不适合加工高温合金；而Si3N4赛阿龙陶瓷刀片则非常适合加工镍基高温合金。用赛阿龙陶瓷刀片进行加工时，加大切削深度，切削效果反而更好。这是因为赛阿龙陶瓷采用Al2O3作为耐磨相，Si3N4作为硬化相，具有很高的室温与高温硬度以及优良的化学稳定性和抗机械磨损性能，在1000°的高温下仍能进行切削。当切深增加到3mm时，刀具与工件的接触长度比切深为2mm时增大，产生的切削热也显著增加，此时被加工材料在高温下发生软化，使刀片的切削加工更为容易，工作寿命也相应延长。因此，陶瓷刀具通常比较适合镍基高温合金的高速切削。此外，切削角的变化决定了刀具的进刀方向，对切削加工性的影响也很大。

上述切削试验优选确定了陶瓷刀片铣削中介机匣的加工参数。图2为采用表2最后一组参数进行切削试验时的刀具磨损情况。

中介机匣的开槽切削试验

! y0 w. v1 F4 O9 G. G3 O% d

本试验的目的是优化中介机匣的数控加工程序。切槽加工是中介机匣加工的难点，加工余量大，在“岛区”之间进行切削需频繁换向，因此走刀路线的确定和加工程序的优化显得极为重要。在开始编程时，走刀路线采用“拐直角”的方式(见图3)。切削试验结果表明，该方式在切削换向时切削力很大，表现为工件温度高，机床振动大，主轴功率利用率达到80%，陶瓷刀片出现了如图1所示的大面积剥落与崩刃，其主要原因是陶瓷刀具的强度与韧性相对较低，在切削过程中频繁换向时受到交变应力的作用，很容易沿晶界产生微裂纹，并逐渐扩展，最后导致刀片碎裂。针对这种情况，我们对加工程序进行了优化，在拐角处应减小切削参数的部位改为“走圆角”的方式(见图3)。试验结果基本解决了上述问题，机床振动减小，工件温度降低，主轴功率利用率约为40%，刀片的磨损情况为正常磨损。 {" j5 L/ ^0 L' q* R6 X2 r

切屑形态

镍基高温合金为塑性较大的材料，切屑形态通常为带状屑。采用陶瓷刀片进行高速切削时，切屑形态由带状屑转变为碎屑，但这种切屑的形成机理与普通材料在低速切削时形成的挤裂切屑有着本质的不同。随着切削速度的逐步提高，切削时的切屑变形规律也会发生一些变化，切屑的剪切变形逐渐加剧，剪切区的滑移逐渐加强，即使是塑性材料，其切屑形态也会逐渐从带状切屑转变为锯齿状切屑，进而有可能转变为单元切屑。由于在高速切削的条件下切屑由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦不再是切削力和切削热的主要来源，后刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减小，使后刀面的摩擦也随之减小，从而对降低切削力和切削热产生有利影响。在高速切削条件下，切削热来不及传递到工件及刀具上，大部分热量由切屑带走，因此工件和刀具的温度不高，而切屑在高温下发生氧化作用，形成特别酥脆的单元切屑(见图4)。

中介机匣的加工为高速干式切削(切削线速度达到约700m/min)，采用高压吹风式排屑，排屑情况良好，状如流星雨。
! H. z6 d' l O5 q( L8 H; X: Y3 D0 y' p/ ~: G- I1 N0 j B0 u) w% B* @! |" N% _+ l1 c1 M5 Y

图3走刀路线的优化

图4 高速铣削时形成的单元切屑

效率及成本

采用陶瓷刀片对发动机中介机匣进行高速加工时，由于刀具性能好，切削速度高，排屑快速顺畅，因此可大幅度提高生产效率，降低加工成本。如中介机匣的圆台切削，工件毛料大径为f387mm，高度为63mm，小径为f354.6mm，当切深为3mm时，表面积为735cm2，切削时间为3分钟的金属去除量可达到220cm3，生产效率相当可观。以前采用传统工艺完成圆台铣削、开槽铣削需要20多个小时，现在采用新工艺仅用2.5小时即可完成，仅此一项，就可以降低加工成本4000多元。 3 F5 Z- I% z9 i9 O. N; J/ s+ N0 n5 g) Q

4 结论

) r" J; m7 ~& J: c; A' t

由切削试验结果(表1、表2)可知，采用陶瓷刀具进行加工时，必须连续切削，否则刀具磨损很快。

Si3N4赛阿龙陶瓷刀具非常适合镍基高温合金的切削加工。利用高速干式切削产生的切削热，可使被加工材料变软而改善其切削加工性，而陶瓷刀具仍可保持良好的高温红硬性，这是刀具寿命显著提高的根本原因。 0 U) E. Q1 G/ E* V+ o$ Y+ Z

为了获得满意的加工效果，切削参数的合理选择十分重要。加工编程时对走刀路线的优化(转角处走圆角)对于改善刀具磨损状况、提高刀具寿命作用很大。

采用陶瓷刀具进行高速铣削时，切屑形态为酥脆的单元碎屑。

采用陶瓷刀具加工发动机中介机匣是提高生产效率、降低加工成本的有效途径。随着性能先进的大功率机床的引进，陶瓷刀具在我公司将会有很好的应用前景。