高鎳合金的加工

　　那些不熟悉高鎳材料特性的加工廠，在開始與這種合金打交道時，往往以沮喪告終。他們遇到的問題是刀具壽命短、成本高、表面光潔度差。

　　由于鎳基超合金具有很高的強度、防腐性及耐高溫性能，因此在許多航空和化學(xué)處理應(yīng)用場合很受人們青睞。加工這種材料的工廠必須意識到，這種材料中提供優(yōu)點的那些冶金性能反過來也使它們很難加工——當(dāng)然不是不可能加工。本文介紹一些應(yīng)對鎳合金此類切削特質(zhì)的方法和技巧。

　　加工硬化：罪魁禍首大部分加工鋼或鑄鐵的加工廠都習(xí)慣采用高速，約1000英尺/分鐘進行加工。在這么高的速度下，加工產(chǎn)生的熱會軟化切屑，因此刀具切削刃上的壓力不會很高。但是，在切削鎳基超合金時，情況不同，因為這種材料在高溫下不會明顯軟化。這一點正是這種材料可以在高溫下表現(xiàn)良好性能的緣故，諸如在噴氣發(fā)動機熱端。但是，由于這種材料不會因為切屑形成時產(chǎn)生高溫而發(fā)生軟化，因此在切削刃上會形成很高的壓力。這樣就可能引起刀刃因碎裂或變形而損壞。由于在形成切屑過程中，更強的材料產(chǎn)生更多的熱且導(dǎo)熱性較低，因此形成高切削溫度。

　　Seco Tools(山高)的車削產(chǎn)品經(jīng)理Don Graham對于成功加工鎳基合金有下面一些建議。他說：“為了在切削超合金時降低溫度和壓力，切削速度通常要保持在200～250 英尺/分鐘。超合金價格昂貴，一個噴氣發(fā)動機或殼體的價格相對于100,000美元。因此，對于這種材料的加工，各個加工廠都很小心，這也是保持低切削速度的另一個原因�！�

鎳基超合金在噴氣發(fā)動機的熱端大量使用

　　鉻鎳鐵合金718，一種高溫合金，其中含約53%的鎳，是最常用的鎳基材料。噴氣發(fā)動機的熱端有一半以上采用這種材料。另外許多獨特的鎳基材料，諸如沃斯帕洛伊合金、蒙乃爾合金、赫史特合金和Rene 95或Rene 88等在許多場合應(yīng)用，并且比鉻鎳鐵合金718還難加工。

　　這些鎳基材料在加工時極易發(fā)生加工硬化，或時效硬化。例如，在加工第一刀后，起始硬度只有34 HRc的鉻鎳鐵合金718工件在其表面幾千分之一處硬度可能高達45 HRc。該硬化的表面層會導(dǎo)致在切削刃上產(chǎn)生所謂的切深線缺口。加工硬化還使得很難保持精度公差及零件表面的冶金完整性。被損壞的零件表面反過來會降低疲勞強度，這也是在加工超合金時保持刀片切削刃處于良好狀態(tài)顯得如此重要的原因之一。

　　隨著因時效硬化而形成第二相粒子，合金變得不僅強度更高，同時耐磨性加大，從而更難加工。因此，最好在其較軟的狀態(tài)下加工這些合金。一般地，最好在接近精加工尺寸、剛鑄造完、并經(jīng)溶液處理過的狀態(tài)下加工零件。在時效硬化后，只進行最終精加工操作，保證所需要的表面粗糙度，同時減少因高溫產(chǎn)生變形的風(fēng)險。

　　刀尖通常用陶瓷刀具進行粗車，因為這種刀具切削速度高——最高能達到800英尺/分鐘。通常它們還帶有一個用于增強強度、經(jīng)過倒角處理的切削刃;這種比較鈍的切削刃會加工硬化材料，因此限制了它們在粗加工中的應(yīng)用。由于陶瓷比較脆，因此在開始和退出切削時最好用一半的進給速度，以免損壞刀具。

　　但是，陶瓷刀具很不適合粗加工表面非常粗糙的工件，諸如帶有參差不齊、粗糙表面的非圓鑄件，加工時就可能使陶瓷刀具碎裂。在這些情況中，不帶涂層的C2硬質(zhì)合金(6%鈷、94%碳化鎢)是最佳選擇，或者采用帶TiAlN涂層的C2硬質(zhì)合金在某些場合也非常好。

　　由于這是一種間歇性的切削過程，因此采用陶瓷刀具進行粗銑最好在干式狀態(tài)下進行，否則，推薦采用冷卻液。

　　Sandvik Coromant(山特維克可樂滿)的航空業(yè)專家Sean Holt認為，刀片涂層的選擇與具體應(yīng)用場合有關(guān)。某些刀具廠家在圓刀片或45度接近角刀片上采用CVD涂層，因為這是一種比PVD涂層具有更好高溫性能的厚涂層。但是，PVD涂層刀片可以更好地防止缺口形成。

　　對于半精加工或精加工，帶有通過物理氣相沉積(PVD)工藝涂敷的薄TiAlN涂層的硬質(zhì)合金通常是受人們青睞的刀具。PVD涂層較薄，且光滑，它們在硬質(zhì)合金上留下的剩余應(yīng)力非常小，這樣就可以阻止刀具碎裂和產(chǎn)生缺口。與CVD涂層相比，PVD涂層更接近刀具尖刃的輪廓，因此PVD涂層刀片的刀尖“天生”就比CVD涂層刀刃要堅韌。

　　細粒度硬質(zhì)合金具有較高的硬度和耐磨性，同時還維持較高的韌性。某些廠家還在藍色TiAlN上涂敷上一薄層金色TiN面層，用于幫助操作員識別出已經(jīng)用過的刀片角。

　　最好采用前傾角為正角的刀片加工鎳合金，因為這是一種自由切削幾何結(jié)構(gòu)，可以將切屑從工件上高效地剪切掉，以降低發(fā)熱和表面加工硬化，同時正前角還可以減少切削瘤的形成。

　　Graham說 ：“我們建議在半精加工和精加工過程中采用前角至少為正7-11度的刀片。對于那些切削量比較大的粗加工，采用中性或前角為0度的刀具�！�

　　山高Jetstream刀具的高壓冷卻液流可以將切屑冷卻并破碎成小而易于掌控的碎片

　　表面粗糙度無缺陷非常重要，因為表面缺陷可能成為裂紋的發(fā)源地。要采用尖刀，因為鈍刀可能損壞工件表面。此外，最好不要在精加工過程中對刀片分度，以免在引入新切削刃的地方在工件表面上留下機械誤差或“痕跡”。

　　冷卻液問題

　　在切削鎳基材料時，采用高壓、通孔冷卻液很關(guān)鍵。用冷卻液直接噴射到切削刃上可以延長刀具壽命和/或提高切削速度。Holt說：“在切削刃上直接噴射1000磅/平方英寸的高壓冷卻液，切削速度可以快20%，且刀具壽命與溢流冷卻液的一樣，或者在采用直接冷卻液射流時，可以在速度相同的情況下保證刀具壽命增加50%。”

　　山高已經(jīng)開發(fā)了高壓‘射流’刀具技術(shù)，其中可以將冷卻液直接噴射到切削刃/切屑接合面上，從而可以以高達300英尺/分鐘的速度切割鎳鉻鐵合金718。冷卻液可以保護刀片的硬度和耐磨性�！�射流’冷卻液幫助切屑從刀具表面彎曲離開，并對切屑進行冷卻，使它更易斷裂。此外，還針對‘射流’冷卻特別開發(fā)了新型刀片。

　　除了速度更高以外，采用‘射流’冷卻還形成了較小、只有1/8英寸的切屑。Graham說：“我們已經(jīng)開發(fā)了幾何造型復(fù)雜的切屑破碎結(jié)構(gòu)，可以很好地用于其他材料，但是它們不如帶有切屑槽幾何結(jié)構(gòu)、設(shè)計用于‘射流’技術(shù)、用于加工鎳基超合金切屑的刀片那么好用。這樣切屑處理成本大大降低，因為我們估計，切屑漏斗容納‘射流’形成的緊湊切屑量將是傳統(tǒng)、夾有大量空氣的繩狀長切屑的4-10倍�！�

　　山高的TS2000及TS2500具有很高的耐熱和耐磨性能，開發(fā)用于車削耐高溫的超合金及鈦材。