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瑞士ETM硬质合金材料~王岩

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谈谈镍基合金在航空航天领域的应用

盘轴、机匣和叶片是发动机上的关键零件,在高温工作区的部分都是采用镍基高温合金作为材料的。这些零件对配合表面尺寸、表面完整性和位置精度等技术指标要求都很高,而且这几种零件都属于典型的结构复杂、薄壁、易变形的难加工零件。盘轴类零件涉及到较多的车削工艺,机匣类、叶片类的零件涉及到较多的铣削工艺。盘件壁厚较小且不均匀,尺寸精度要求较高,外型面较复杂,不能沿圆周连续切削,在加工过程中零件变形明显,需要多次进行修整。


例如某盘件的外径尺寸精度IT6~IT7,焊缝表面的配合精度高达IT4~IT5。垂直度为0.01~0.03mm,表面粗糙度Ra0.8μm。机匣零件刚性差且形状复杂,加工过程零件及易变形。零件的尺寸精度、表面粗糙度,位置精度要求都很严格。如某机匣零件表面粗糙度为1.6μm,薄壁端厚2.5mm,定位孔的尺寸公差0.015。某机匣毛坯加工余量大,单边余量为20~30mm,大部分余量要通过铣削去除,刀具消耗量大。叶片零件外形结构复杂不规则、尺寸较多、加工时间长,加工基准需要反复地切换。某机叶片最薄处为0.18mm,零件的表面粗糙度为0.4μm。在加工过程中系统振颤大,让刀现象严重,零件的表面完整性差


1 刀具材料的选取


在航空用镍基高温合金的加工中,零件的尺寸精度和表面效果很大程度上取决于刀具的材料。根据镍基高温合金的特性,加工的刀具材料一般应满足以下要求。


· 稳定性好、抗氧化、耐高温、抗冲击能力强。

· 硬度和耐磨性好。刀具材料硬度必须比零件材料的硬度高,一般都在HRC60以上。

· 有足够的抗弯强度和抗冲击韧性。

· 耐热性好, 在高温下保持一定的强度和韧性以及抗黏结、扩散的性能。

· 有良好的热处理性能、可磨削性能、锻造性能及高温塑性变形性能。


(1)硬质合金(Carbide)。


硬质合金由难溶的金属碳化物和起粘结作用的金属烧结而成,具有高的强度和硬度。硬度达HRC69~81,整硬性在900~1000℃下可保持HRC60。细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发使硬质合金刀具的强度和韧性显著提高。图1为硬质合金硬质合金刀片车削加工实例。使用加压烧结的涂层硬质合金刀片,具有良好的抗朔性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金,从而提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围,使硬质合金刀具进入高速切削时代。硬质合金刀具虽然有以上优点,但是由于其脆性大、抗弯强度低、抗震能力差,故多用于车加工、冲击较小的半精加工和精加工。

涂层硬质合金刀具:涂层主要分为化学涂层(CVD)和物理涂层(PVD),现代国内使用的刀具中有50%以上为涂层刀具,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。涂层已成为提高刀具性能的关键技术,采用涂层技术可使切削刀具获得非常优良的综合力学性能,大幅度地提高切削加工效率的同时还能提高刀具的使用寿命。新型涂层适应高速切削、干切削、硬切削,纳米级超薄超多层涂层和新型涂层材料的开发大幅度提高了涂层的硬度和韧性,新型涂层的应用将成为改善刀具性能的主要途径。

发展趋势


以镍基高温合金为代表的高性能难加工材料的切削问题已经成为制约航空发动机制造产业的瓶颈,对此,加快难加工材料关键切削技术的开发和方案的研究成为了解决问题的关键。以发达国家高速切削、绿色切削等技术为代表的新型加工理念对解决难加工材料问题有很好的帮助和指导作用。


1 高速切削


高速切削技术特征主要表现在如下几个方面。


(1)金属切除率可以提高3~6倍,单位功率材料切除率可达130~160cm3/(min·kW),生产效率大幅提高;

(2)切削力可降低15%~30%以上,尤其是径向切削力大幅降低;

(3)高速加工时机床的激振频率特别高,远离“ 机床- 刀具- 工件”工艺的固有频率,工作平稳,工艺系统振动小;

(4)95%~98%的切削热被切屑带走,切削温度增加缓慢,工件温升低,基本可以保持冷态加工,工件表面热损伤小,适用于加工易变形的零件;

(5)由于加工振动小切屑变薄,切削力和受力变形小,所以可以获得良好的加工精度和表面质量,加工表面质量可以提高1~2级,可获得相当于磨削加工的表面粗糙度;

(6)允许进给速度提高5~10倍,切削速度提高15%~20%, 可降低成本10%~15%, 高速切削可降低制造成本20%~40%[2]。


高效切削并非只限于单纯的提高切削速度和进给速度,而是把提高切除率放在首位,目的是在单位时间内尽可能多地去除被加工材料。实现高效加工的途径主要有以下几个方面。


(1)选择高效的机床。主要是指高的主轴转速、高的进给系统、良好的刚性和抗震能力。

(2)选择高效的刀具。良好的耐磨性、高强度和韧性的刀具材料,优良的刀具涂层技术,动平衡技术。

(3)合理安排工艺路线。合理地分配加工余量,应该是根据机床和刀具进行工艺路线的安排,来适应高效加工。

(4)减少辅助时间。通过减少辅助时间来实现高效加工,利用复合刀具、夹具尽量减少辅助时间,或者合并不必要的工序。


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