摘要：采用陶瓷刀片進行了發動機中介機匣的粗銑切削試驗，研究了陶瓷刀片加工鎳基高溫合金的切削性能，優化了切削參數和走刀路線，分析了高速干式加工的切屑形態，指出應用陶瓷刀具加工鎳基高溫合金是提高效率、降低成本的有效途徑。
刀片材料 轉速n
(r/min) 進給率f
(mm/min) 切深ap
(mm) 切削時間
(s) 刀片磨
損情況 TiN金屬陶瓷 4000 750 2 30 崩齒嚴重 TiN金屬陶瓷 3500 716 2 32 崩齒 TiN金屬陶瓷 2000 400 1 40 崩齒嚴重 Si3N4
賽阿龍陶瓷 4000 800 2 40 崩齒嚴重 Si3N4
賽阿龍陶瓷 1500 225 2 45 崩齒嚴重 Si3N4
賽阿龍陶瓷 1100 160 1 38 崩齒嚴重 Si3N4
賽阿龍陶瓷 800 70 0.5 35 大面積層剝

表1 安裝邊切削試驗結果

1 引言

我公司為美國GE公司轉包加工發動機部件——中介機匣，工件材料為高含鎳量的鎳基高溫合金，屬于典型的難加工材料(相對加工性僅為0.07)；工件形狀十分復雜，中間有許多“島區”，單邊加工余量最大可達30mm以上，最小也超過20mm，加工難度很大。目前我廠采用硬質合金刀具進行銑削加工，但刀具磨損、破損嚴重，加工效率很低，造成刀具費用居高不下。為了提高加工效率、降低生產成本，我們嘗試采用陶瓷刀具替代硬質合金刀具進行鎳基高溫合金的粗銑加工。為此，對陶瓷刀片的切削加工性能進行了試驗研究。

2 試驗內容與條件

切削試驗內容

加工安裝邊的切削試驗。

中介機匣的圓臺切削試驗(確定加工參數)。

中介機匣的開槽切削試驗(優化加工程序)。

切削試驗條件

試驗用設備：德國德馬機床。

試驗用刀具：分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷和Si3N4賽阿龍陶瓷兩種陶瓷刀片和日本強力夾緊刀柄；銑刀盤直徑：d=31.75mm，圓刀片的前角和后角均為11°。

切削方式：三齒端面干銑削，強風吹屑。

3 試驗結果與分析

加工安裝邊的切削試驗

本試驗的目的是確定陶瓷刀片的切削性能。由于中介機匣使用的進口材料價格昂貴，為節約成本，利用報廢的安裝邊進行切削試驗。安裝邊材料為No.263，也屬鎳基高溫合金，含鎳量與Inconel 718相近，但硬度要低很多(22～25HRC)。分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷刀片和Si3N4賽阿龍陶瓷刀片對安裝邊進行切削試驗，試驗結果如表1所示。

圖1 大面積層剝報廢的刀片

由表1試驗結果可見，雖然切削參數并不高，且切削時間很短，但陶瓷刀片的損壞卻非常嚴重，出現了大面積層剝(見圖1上部)，這表明陶瓷刀片并不適合加工安裝邊。由于No.263材料的硬度較軟(22～25HRC)，用陶瓷刀片切削時易發生粘結磨損，在一定的溫度和壓力條件下，刀具與切屑及工件加工表面接觸處的分子和原子引力大到足以使彼此粘結在一起，隨著工件和切屑的運動，粘結界面發生塑性流動與剪斷，有時會將刀具材料粘結到工件上，造成刀具磨損。此外，由于采用簡易編程，走刀路線不符合零件形狀，造成斷續切削，使刀片發生崩刃和大面積剝落(見圖1下部)。

中介機匣的圓臺切削試驗

本試驗的目的是確定用陶瓷刀片加工中介機匣的切削參數。中介機匣的材料為Inconel 718(含鎳量約51%，硬度32～55HRC)。分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷刀片和Si3N4賽阿龍陶瓷刀片在907機匣上進行圓臺切削試驗，試驗結果如表2所示。
刀片材料 轉速n
(r/min) 進給率f
(mm/min) 切深ap
(mm) 切削角
(°) 切削時間
(s) 刀片磨
損情況 TiN金屬陶瓷 3500 716 2 30 70 崩齒嚴重 Si3N4賽阿龍
陶瓷 4000 1540 2 30 80 刀片半層
剝落 Si3N4賽阿龍
陶瓷 6000 1540 2 30 90 側刃有崩齒
(未在零件
中)，刀片半
層剝落 Si3N4賽阿龍
陶瓷 7500 1900 2 30 110 刀片半層
剝落 Si3N4賽阿龍
陶瓷 7500 1800 2 0 138 崩齒嚴重 Si3N4賽阿龍
陶瓷 7500 2000 3 0 180 磨損不大 Si3N4賽阿龍
陶瓷 7500 2000 3 0 190 磨損不大
(刀片轉新
面加工) Si3N4賽阿龍
陶瓷 7500 2000 3 0 190 磨損不大
(刀片轉新
面加工)

表2 中介機匣切削試驗結果

圖2 賽阿龍陶瓷刀片磨損情況 #p#分頁標題#e#

從表2試驗結果可見，TiN金屬陶瓷刀片不適合加工高溫合金；而Si3N4賽阿龍陶瓷刀片則非常適合加工鎳基高溫合金。用賽阿龍陶瓷刀片進行加工時，加大切削深度，切削效果反而更好。這是因為賽阿龍陶瓷采用Al2O3作為耐磨相，Si3N4作為硬化相，具有很高的室溫與高溫硬度以及優良的化學穩定性和抗機械磨損性能，在1000°的高溫下仍能進行切削。當切深增加到3mm時，刀具與工件的接觸長度比切深為2mm時增大，產生的切削熱也顯著增加，此時被加工材料在高溫下發生軟化，使刀片的切削加工更為容易，工作壽命也相應延長。因此，陶瓷刀具通常比較適合鎳基高溫合金的高速切削。此外，切削角的變化決定了刀具的進刀方向，對切削加工性的影響也很大。

上述切削試驗優選確定了陶瓷刀片銑削中介機匣的加工參數。圖2為采用表2最后一組參數進行切削試驗時的刀具磨損情況。

中介機匣的開槽切削試驗

本試驗的目的是優化中介機匣的數控加工程序。切槽加工是中介機匣加工的難點，加工余量大，在“島區”之間進行切削需頻繁換向，因此走刀路線的確定和加工程序的優化顯得極為重要。在開始編程時，走刀路線采用“拐直角”的方式(見圖3)。切削試驗結果表明，該方式在切削換向時切削力很大，表現為工件溫度高，機床振動大，主軸功率利用率達到80%，陶瓷刀片出現了如圖1所示的大面積剝落與崩刃，其主要原因是陶瓷刀具的強度與韌性相對較低，在切削過程中頻繁換向時受到交變應力的作用，很容易沿晶界產生微裂紋，并逐漸擴展，最后導致刀片碎裂。針對這種情況，我們對加工程序進行了優化，在拐角處應減小切削參數的部位改為“走圓角”的方式(見圖3)。試驗結果基本解決了上述問題，機床振動減小，工件溫度降低，主軸功率利用率約為40%，刀片的磨損情況為正常磨損。

切屑形態

鎳基高溫合金為塑性較大的材料，切屑形態通常為帶狀屑。采用陶瓷刀片進行高速切削時，切屑形態由帶狀屑轉變為碎屑，但這種切屑的形成機理與普通材料在低速切削時形成的擠裂切屑有著本質的不同。隨著切削速度的逐步提高，切削時的切屑變形規律也會發生一些變化，切屑的剪切變形逐漸加劇，剪切區的滑移逐漸加強，即使是塑性材料，其切屑形態也會逐漸從帶狀切屑轉變為鋸齒狀切屑，進而有可能轉變為單元切屑。由于在高速切削的條件下切屑由帶狀切屑轉變為單元切屑，切屑與前刀面的摩擦不再是切削力和切削熱的主要來源，后刀面處工件材料的彈性變形也將由于變形速度逐漸跟不上切削速度而減小，使后刀面的摩擦也隨之減小，從而對降低切削力和切削熱產生有利影響。在高速切削條件下，切削熱來不及傳遞到工件及刀具上，大部分熱量由切屑帶走，因此工件和刀具的溫度不高，而切屑在高溫下發生氧化作用，形成特別酥脆的單元切屑(見圖4)。

中介機匣的加工為高速干式切削(切削線速度達到約700m/min)，采用高壓吹風式排屑，排屑情況良好，狀如流星雨。

圖3走刀路線的優化
圖4 高速銑削時形成的單元切屑

效率及成本

采用陶瓷刀片對發動機中介機匣進行高速加工時，由于刀具性能好，切削速度高，排屑快速順暢，因此可大幅度提高生產效率，降低加工成本。如中介機匣的圓臺切削，工件毛料大徑為f387mm，高度為63mm，小徑為f354.6mm，當切深為3mm時，表面積為735cm2，切削時間為3分鐘的金屬去除量可達到220cm3，生產效率相當可觀。以前采用傳統工藝完成圓臺銑削、開槽銑削需要20多個小時，現在采用新工藝僅用2.5小時即可完成，僅此一項，就可以降低加工成本4000多元。

4 結論

由切削試驗結果(表1、表2)可知，采用陶瓷刀具進行加工時，必須連續切削，否則刀具磨損很快。 #p#分頁標題#e#

Si3N4賽阿龍陶瓷刀具非常適合鎳基高溫合金的切削加工。利用高速干式切削產生的切削熱，可使被加工材料變軟而改善其切削加工性，而陶瓷刀具仍可保持良好的高溫紅硬性，這是刀具壽命顯著提高的根本原因。

為了獲得滿意的加工效果，切削參數的合理選擇十分重要。加工編程時對走刀路線的優化(轉角處走圓角)對于改善刀具磨損狀況、提高刀具壽命作用很大。

采用陶瓷刀具進行高速銑削時，切屑形態為酥脆的單元碎屑。

采用陶瓷刀具加工發動機中介機匣是提高生產效率、降低加工成本的有效途徑。隨著性能先進的大功率機床的引進，陶瓷刀具在我公司將會有很好的應用前景。