镍基高温合金(waspaloy加工工艺)

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、铳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，讨论了用铳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。

2工艺试验与分析

1.试验条件

10mm 。试验中分别采用以下工艺：①钻削

?6mm 圆孔7铳削异形孔；②钻削 ?6mm 圆孔7磨削异形孔；③钻削

1

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

?6mm 圆孔7铳削异形孔7磨削异形孔。三种不同工艺过程的加工条件、工艺参数见表

精选文库铳

削

长25mm，铣刀总长100mm ,柄部

直径?6mm，直柄

磨磨削

削

直径?4mm、长6mm的圆柱形氧

化铝砂轮（铬刚玉），等级RA120 ,

柄部直径?3mm

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

7铳削7磨削（钻削加工？6mm圆孔7低用量铳削加工异形孔7磨削异形孔

小，而钻削7磨削（钻削加工？6mm圆孔7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铳削加工也能获

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铳削加工所获得的异形孔表面粗糙度精度低；铳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。

不同加工条件下的铳刀磨损和破损情况：在钻削7铳削过程中，铳削1个孔后，两把铳刀的转角处均产生了严重的沟槽磨损和破损。采用低切削用量铳削异形孔时（v=52m/min , f=333mm/min）,铳刀产生比较明显的破损（见

图3a）;而用高切削用量铳削异形孔时（v=104m/min , f=666mm/min）,铳刀的沟槽磨损更为显著（见图3b）。

2.

1.

a.

分别采用工具显微镜和图像采集系统测量铳刀和砂轮的磨损，记录磨损形貌。用

粗糙度仪沿异形孔的轴线方向测量孔的表面粗糙度

结果与分析

Ra。

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

Taylor-HobsonSurtronic 3p 型表面

2所示：在三种工艺过程中，采用钻削

）工艺所获得的异形孔的表面粗糙度最

b.

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3.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 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。而在进行高用量铳削时，切削区产生的高温导致铳刀严重磨损和 破损，增大了异形孔的加工表面粗糙度。

4.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 •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（甚至大于铳削加工的工件表面粗糙度 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

铳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。

图3铣刀的磨损、破损形貌

（铣削 1个孔后）

'、"强化相以及WC 、WN 等硬质相在高温下

（a ）铣削孔1的铣

刀

（b ）铣削孔2的铣

刀

< ■ n ■

V ：

图5被加工工件异形孔示意图

图4磨削1个异形孔后砂轮的磨损形貌

•%嚓％

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2.

试验结果与讨论

3钻削f 铣削加工镍基高温合金异形孔

1.加工与检测

a. 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。

表2 Waspaloy 镍铬高温合金的化学成分

涡轮盘上的异形孔是深度为 19mm 的15。斜孔，孔顶部为弧面。铳削试验时，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。

加工与检测:

异形孔加工工序包括：①铳 ？6mm 中心孔平面；②钻削加工 ？6mm 的圆孔；③铳削加工异形孔 （加工条件见表3）。 （测头直径为 ?2mm ）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。

表3钻削f 铣削加工条件

切削参数

-切削时

加工工序

刀具

切削速

进给量

切削深

间

度

(mm/mi n) 度

(min/ 孔)

(m/mi n)

(mm)

铳?6mm 中心孔平面

?6mm 硬质合金铣刀 18 47 3 1.3 钻削?6mm 孑L

?6mm 硬质合金涂层钻头

18

47

-

0.63

?4mm 多层 PVD 涂层(TiAlN ,

铣削异形孔

TiCN , TiN ）端铣刀，2刃，刃长 25

200

0.1

7.58

19mm ，铣刀总长 75mm ，柄部

元素 Ni Cr Al Ti Fe Zr Mo Co 含量(wt.%)

57

19.5

1.4 3

1

0.7 4.3

13

0.05

0.01

b.

测量铳刀磨损和异形孔表面粗糙度；采用三坐标测量仪