镍基高温合金工件异形孔加工工艺的研究

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1 引言

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镍基高温合金(如In718、Waspaloy等)具有热稳定性好、高温强度和硬度高、耐腐蚀、抗磨损等特点，是典型的难加工材料，常用于制作涡轮盘等发动机关键部件。由于涡轮盘是航空发动机的关键部件之一，在应力、温度和恶劣的工作环境条件下容易产生疲劳失效，因此涡轮盘材料及制造技术是研制高性能航空发动机的关键。由于涡轮盘上的异形孔由若干圆弧和直线组成，形状复杂，加工时要求各组成段位置准确、过渡圆滑而不产生加工转折痕迹，表面粗糙度符合工艺要求，因此该高温合金异形孔的加工是涡轮盘加工的难点。目前，航空发动机制造商均采用电火花加工方法加工镍铬耐热合金异形孔，但是电火花加工过程中产生的热影响层难以用普通的磨削、研磨方法去除，往往需要用磨料射流等特殊工艺去除该变质层，加工效率低，生产成本高。因此，对高效低成本的镍基高温合金异形孔加工方法的研究越来越受到人们的高度重视。

本文通过钻削、铣削与磨削工艺的不同组合、选用新型涂层刀具及适当的加工参数加工镍基高温合金异形孔的工艺试验，讨论了用铣削和磨削加工方法代替电火花方法加工镍基高温合金异形孔的可行性。 9 ^- X! H8 [* s7 c% m( G

2 工艺试验与分析

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1. 试验条件
   切削试验在加工中心上进行，被加工异形孔的形状和尺寸见图1：异形孔的截面由6段圆弧和2段直线组成，孔深10mm。试验中分别采用以下工艺：①钻削Ø6mm圆孔→铣削异形孔；②钻削Ø6mm圆孔→磨削异形孔；③钻削Ø6mm圆孔→铣削异形孔→磨削异形孔。三种不同工艺过程的加工条件、工艺参数见表1。 l; f7 A% A5 ~ `2 L p' |7 d- T3 P- Q$ K2 O8 n$ C: Y! R- E( b3 |8 s1 O) z- g1 m) ^& R' C& d- h4 C- i7 i, r; _; [) P9 u. x3 c; @' F; J( }' ]9 \9 O2 R8 ^, Z+ A8 s/ O& \) M1 R5 ?7 _, p/ C+ M) R& J9 u1 Q, x; }! C) T: k2 I4 r0 C- x+ \6 k8 Z F9 ?; X% s; w& A( o" f i% J# x! o4 S' M) j# z } g5 W2 L0 M+ v6 {5 T7 n$ C2 ^2 d6 I3 S+ }& n( x2 G) `3 l% y% c# r8 _( Y9 }& E1 J& E2 I. [* \/ u+ x- S/ Z: o3 @2 u4 B, v1 }. S# S8 |3 E4 ^( d* }( I+ \ ^9 a8 X; x- T' E* X( z- c6 J' n' y. t! q2 ?; h! A0 a. Z! u, M1 O# O8 K& [2 R7 Y$ W* f, v9 Z/ y7 {8 T' E# A- j9 H9 l+ M7 Y5 n( \5 l+ E m* F1 N0 l: |0 X% y6 `1 K5 N! G9 q. b/ @. z$ T! r: R W _) q- b7 W! a* E7 @6 o6 }! y6 }* Z( r. }& T% n9 U" v3 F" T5 R2 a# K8 ~+ E" A4 i" d% i, g. }: \; \* r; V2 v8 |# x5 Y( }4 E( l! q& N; p: Y% Y* V9 y6 m) V4 g; }- G0 v$ d! Y- S* O- X6 \" q1 S0 p3 H! ?9 m; l5 S2 z! w7 m2 h8 j$ |% @6 b' r8 ]. Y+ U3 c5 `! B+ ~, e, y4 M0 i, ]5 o- _; O/ v7 a# f" j1 l

   表1

   工序			刀具	切削参数
   				切削速度 (m/min)	进给量 (mm/min)	切削深度 (mm)
   钻削↓铣削	钻削		Ø6mm硬质合金涂层钻头	22	58	-
   	铣削	铣孔1	Ø4mm多层PVD涂层球形铣刀，2刃，刃长25mm，铣刀总长100mm，柄部直径Ø6mm，直柄	52	333	0.1
   		铣孔2		104	666
   钻削↓磨削	钻削		Ø6mm硬质合金涂层钻头	22	58	-
   	磨削		直径Ø4mm、长6mm的圆柱形氧化铝砂轮(铬刚玉)，等级RA120，柄部直径Ø3mm	188	333	0.05
   钻削↓铣削↓磨削	钻削		Ø6mm硬质合金涂层钻头	22	58	-
   	铣削	铣磨孔1	Ø4mm多层(TiAlN，TiCN，TiN)PVD涂层球形铣刀，2刃，刃长25mm，铣刀总长100mm，柄部直径Ø6mm，直柄	52	333	0.1
   		铣磨孔2		104	666
   	磨削		直径Ø4mm、长6mm的圆柱形氧化铝砂轮(铬刚玉)，等级RA120，柄部直径Ø3mm	188	333	0.05
   工件材料：In718镍基高温合金 冷却液：浓度为9%的乳化液，压力30Bar

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图1 异形孔的截面形状与尺寸

图2 采用不同工艺获得的异形孔表面粗糙度

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1. ! s5 R1 u8 K9 z4 l
   分别采用工具显微镜和图像采集系统测量铣刀和砂轮的磨损，记录磨损形貌。用Taylor-HobsonSurtronic 3p型表面粗糙度仪沿异形孔的轴线方向测量孔的表面粗糙度Ra。
2. 结果与分析
   1. 对三种加工工艺过程获得的异形孔表面粗糙度进行对比，结果如图2所示：在三种工艺过程中，采用钻削→铣削→磨削(钻削加工Ø6mm圆孔→低用量铣削加工异形孔→磨削异形孔)工艺所获得的异形孔的表面粗糙度最小，而钻削→磨削(钻削加工Ø6mm圆孔→磨削异形孔)工艺所获得的异形孔表面粗糙度最大。试验证明：在该试验条件下采用铣削加工也能获得满足表面粗糙度要求的异形孔；钻孔后磨削加工比钻孔后铣削加工所获得的异形孔表面粗糙度精度低；铣削后再进行磨削加工可在一定程度上提高异形孔加工的表面粗糙度精度，但会增加成本，降低效率。 ' o7 e. z0 i; O9 I
   2. 不同加工条件下的铣刀磨损和破损情况：在钻削→铣削过程中，铣削1个孔后，两把铣刀的转角处均产生了严重的沟槽磨损和破损。采用低切削用量铣削异形孔时(v=52m/min，f=333mm/min)，铣刀产生比较明显的破损(见图3a)；而用高切削用量铣削异形孔时(v=104m/min，f=666mm/min)，铣刀的沟槽磨损更为显著(见图3b)。
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   (a)铣削孔1的铣刀	(b)铣削孔2的铣刀
   图3 铣刀的磨损、破损形貌(铣削1个孔后)

   由于In718镍基高温合金在切削加工中极易产生加工硬化，合金中的g'、g"强化相以及WC、WN等硬质相在高温下仍然保持着高硬度并高速刻化刀具的刀面和刀刃，导致刀具产生沟槽磨损。此外，镍基高温合金在切削时极易产生侧向塑性流动并在刀具刃口处分离而产生锯齿状切屑毛边和工件飞边。这些毛边和飞边高速、高频冲击刀具，在周期性热应力作用下导致刀具产生微小裂纹和剥落。而在进行高用量铣削时，切削区产生的高温导致铣刀严重磨损和破损，增大了异形孔的加工表面粗糙度。 ' E& }% ]/ ~( k1 h8 ^6 j* O( b3 i
   从试验可知：采用氧化铝砂轮磨削In718镍基高温合金时，砂轮迅速磨损，磨削1个异形孔后，砂轮成圆锥形，表面有严重的粘附物(见图4)。这是因为磨削镍基高温合金时具有磨削力大、磨削温度高等特点，在较高的磨削温度和较大的法向力作用下，磨削区的被磨材料产生严重塑性变形并粘附在磨粒表面，而这种变形和粘附导致磨削力进一步增大，随着粘附物在剪切力的作用下脱落，使砂轮磨粒发生破损甚至脱落而过早丧失切削能力，致使工件表面粗糙度增大(甚至大于铣削加工的工件表面粗糙度)。

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综上所述，根据对上述三种工艺加工In718镍基高温合金工件异形孔的加工效率和加工效果的比较分析，用钻削→铣削加工工艺代替电火花法加工镍基高温合金工件异形孔是可行的。
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图4 磨削1个异形孔后砂轮的磨损形貌

图5 被加工工件异形孔示意图

3 钻削→铣削加工镍基高温合金异形孔

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1. 加工与检测
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   1. 工件与材料：
      工件材料为Waspaloy镍铬高温合金(硬度38HRC)，主要成分见表2。 2 e: ]7 K* l1 a( m) D# f1 I0 U3 @7 F5 c+ ]: y: _0 x/ c8 d3 W7 w0 J' h8 j3 l% W; S- ? @5 |+ d3 Y8 D/ W2 b3 Y/ y9 |0 Q; u- N9 s" q/ m% V: m4 S0 N* j, ]" ^+ s5 x, B7 I$ _2 \+ n/ D$ E% e4 a: [$ H' _ y0 x, _& k% n2 N, a; \ N$ M+ t. n i2 M A6 b/ E( u9 v; T/ }( }2 g* l: S9 ~7 d. v% c1 v/ o9 P7 G/ s r$ ]9 n* R4 N% Q. C: F- k6 F8 B+ e K# u. S8 s* u' J6 ^: C7 F! w0 q3 Z! {+ W- [; E p' f. U9 }: b* v5 o1 m1 _/ p

      表2 Waspaloy镍铬高温合金的化学成分

      元素	Ni	Cr	Al	Ti	Fe	Zr	Mo	Co	C	B
      含量(wt.%)	57	19.5	1.4	3	1	0.7	4.3	13	0.05	0.01

      涡轮盘上的异形孔是深度为19mm的15°斜孔，孔顶部为弧面。铣削试验时，为了模拟涡轮盘上异形孔的加工过程，将试件加工成与底面成15°斜度的弧面，孔深19mm(见图5)，五个工件为一个试验组。
   2. 加工与检测：
      异形孔加工工序包括：①铣Ø6mm中心孔平面；②钻削加工Ø6mm的圆孔；③铣削加工异形孔(加工条件见表3)。
      测量铣刀磨损和异形孔表面粗糙度；采用三坐标测量仪(测头直径为Ø2mm)分别在孔深3mm、6mm、9mm、12mm和15mm的位置测量异形孔的尺寸和轮廓变化；测量试验组第一个和最后一个异形孔加工表面的显微硬度，以便进行异形孔加工硬化程度的研究。
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   表3 钻削→铣削加工条件

   加工工序	刀具	切削参数			切削时间 (min/孔)
   		切削速度 (m/min)	进给量 (mm/min)	切削深度 (mm)
   铣Ø6mm中心孔平面	Ø6mm硬质合金铣刀	18	47	3	1.3
   钻削Ø6mm孔	Ø6mm硬质合金涂层钻头	18	47	-	0.63
   铣削异形孔	Ø4mm多层PVD涂层(TiAlN，TiCN，TiN)端铣刀，2刃，刃长19mm，铣刀总长75mm，柄部Ø6mm，直柄	25	200	0.1	7.58
   冷却液：浓度9%的乳化液，压力30Bar

2. 试验结果与讨论
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   1. 几何精度 & C9 G5 U) A. E! C8 o7 m. M( {. |
      根据三坐标测量机的测量结果(如图6所示)，铣削加工的所有异形孔尺寸沿轴向深度方向减小，异形孔的轴向呈锥形，最大锥度为0.19°，说明在X、Y方向异形孔的尺寸随铣刀磨损而明显减小。

(a) X方向	(b) Y方向
图6 铣削加工的异形孔实际尺寸

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1. 1. 对照某公司的D型异形孔尺寸公差(X方向：7.65～8.25mm；Y方向：6.35～6.85mm)，铣削试验组5个孔的尺寸变化均在该公差范围之内，符合加工精度要求。
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   2. 表面粗糙度 8 J |0 d4 z3 Y5 z8 O. c
      如图7所示，采用2刃涂层铣刀加工的异形孔表面粗糙度R_a和R_z分别在0.30～0.40µm和2.3～3.64µm范围内变化；随铣削时间的增加即铣刀磨损的加大，工件表面粗糙度R_z呈增大的趋势。 9 _" e1 R1 X$ T9 g. d' H$ U
      由此可见，若采用四刃涂层硬质合金铣刀，同时进一步优化铣削参数以减少刀具磨损，可望直接获得满足表面粗糙度要求的异形孔，省去后续精加工工序，降低成本，提高加工效率。
   3. 加工表面显微硬度 1 j8 V2 e: _0 x, F! \
      图8为同一铣刀铣削的五个异形孔中的第一和最后一个孔的加工表面显微硬度的变化情况。如图8所示，两个异形孔均出现了加工表层软化现象(厚度约为60µm)，其显微硬度甚至低于基体硬度。随着次表层显微硬度的增加，当深度达到约140µm～180µm时，基体硬度恢复。表层软化现象可能与导热性差的镍基高温合金加工表层的塑性变形大、温度高有关。 + W6 ]/ A# U) S5 Y3 }" f8 }2 \
      随着铣刀的磨损，切削区温度升高，异形孔被加工表面软化、硬化现象更明显。
      4 k: A! z1 h5 O" \7 _# q( p) ~1 t& { y0 ~9 m' s$ x4 |/ b) C/ k$ b2 V z$ U

      图7 异形孔表面粗糙度与铣削时间的关系

      图8 异形孔加工表面显微硬度的变化

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   4. 铣削加工效率 4 X; j. v; G) f
      在本试验条件下(见表3)，铣削异形孔中心平面、钻削中心孔和铣削异形孔三道工序的加工时间分别为1.3min、0.63min和7.58min，加上铣削异形孔两端圆弧倒角的工时，一个异形孔的总加工时间约为17分钟。而过去采用电火花和磨料射流两道工序加工相同的零件，工序时间分别约为40min和6min，总工时为46分钟。经过对比，本试验采用的铣削加工工艺可减少58%的加工时间，而且所有工序可在加工中心上一次装夹完成，辅助时间少，大大节省总工时。
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   由于铣削加工所产生的材料变质层厚度远小于电火花加工所产生的烧伤层厚度，即使在铣削加工工序之后增加磨料水射流加工工序以提高加工表面的完整性，也可使磨料水射流加工的工时大大缩短。

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4 结论

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1. 通过涡轮盘异形孔的加工工艺试验对比，采用钻削→低用量铣削→磨削工艺所获得的异形孔表面粗糙度最小，而钻削→磨削工艺加工的异形孔表面粗糙度最大。 ; b( V6 N. b5 T6 M- D D! ^% r/ U
2. 采用钻削→铣削工艺加工镍基高温合金涡轮盘的异形孔可满足工件几何精度和表面粗糙度要求；与采用电火花→磨料射流工艺相比，可显著减少加工时间。 / A$ m1 F& [) }4 G* S
3. 在保证加工精度的前提下，通过优化切削参数，可进一步提高采用钻削→铣削工艺的加工效率。

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