基于车铣复合的高温合金加工工艺研究

杜一男， 李洪平

（1.中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所， 北京 100095；2.空军装备部驻北京地区军事代表局驻北京地区第四军事代表室， 北京 100041）

0 引言

随着航空发动机性能要求的不断提高， 对制造材料的耐热性和耐腐蚀能力要求越来越高， 高温合金作为在高温下能长期稳定工作的高温金属材料， 已成为航空发动机领域不可或缺的材料，但由于其材料特性，如何高效率、 高精度地加工仍然是航空制造业亟待解决的重要问题之一。 近年来，随着车铣复合加工中心的高效率，高精度，智能化及复合化的发展，为解决高温合金材料的加工难题提供很大帮助。 然而车铣复合加工工序集中提高加工效率的同时，也存在工件加工变形恢复时间短、关键尺寸难满足图纸设计要求等问题； 若切削参数设置不合理也会影响表面加工质量。 所以高温合金材料加工工艺的研究对我国航空航天事业的发展有着重要的现实意义与应用价值。

1 高温合金GH4169 材料特性

高温合金GH4169 的熔化温度范围为1260～1320℃，在-253～700℃温度范围内具有极高的稳定性， 并具有良好的高温强度、硬度、抗氧化以及耐腐蚀性能，被广泛应用于航空、航天以及新能源领域，主要化学成分与力学性能见表1、表2[1]。

表1 GH4169 的主要化学成分Tab.1 Main chemical composition of GH4169

表2 GH4169 的力学性能（室温20℃）Tab.2 Mechanical properties of GH4169（room temperature 20℃）

GH4169 优良的力学性能也增加了其加工难度，主要表现在以下几个方面：

（1）切削力大。 由于GH4169 的材料特性，在切削过程中，会产生较大的切削力，增加了刀具切削阻力。

（2）切削温度高。 GH4169 的导热系数小，散热性差，在切削区，切削力又大，所以会集中大量的切削热，形成很高的切削温度。

（3） 加工硬化倾向大。 在切削温度过高的情况下，GH4169 工件的加工表面会与周围介质中的氮、氢、氧等元素形成硬脆层[2]，并且也会产生巨大的塑性变形，给加工带来难度。

（4）刀具磨损大。 GH4169 的硬度高，难切削，而产生的过高的切削热亦会加剧刀具的磨损，缩短刀具寿命。

（5）切屑难处理。 GH4169 强度高，塑性韧性大，导致切屑呈带状，易缠在刀杆上，不易脱落，影响切削，也不安全。

（6）切削变形大。在加工过程产生的较高的切削温度和较大的切削力，会导致工件产生热变形，加工精度很难保证。

2 车铣复合加工特点

车铣复合加工中心是配备了Y 轴的车削中心， 高扭矩动力刀和C 轴，动力刀选项可以驱动标准VDI 轴或径向驱动刀，从而实现二级操作。车铣复合加工中心不仅仅是车削和铣削分别进行工件的切削加工， 而是也可以进行车铣合成运动来实现对工件的加工。 通过铣刀和工件的同时旋转，提高了工件对加工精度、位置精度和加工表面完整性等多方面的要求。 车铣复合加工中心结构图如图1 所示。

与常规数控加工工艺相比，车铣复合加工具有以下几个方面优势：

（1）工序集中化，提高生产效率。 一般配有十几个刀位的混合式刀塔，可以安装多种刀具，减少装刀和换刀时间，工序集中的车铣复合加工可以通过一次装夹实现多道或者全部工序加工，缩短产品加工周期，提高加工效率，同时也减少了工装卡具的制造周期和成本。

（2）降低装夹次数，提高加工精度。 工序集中避免了由于多次装夹而导致的误差积累，不仅能提高加工精度，也能保证同轴度等形位公差要求， 并且机床性能也有所提高，主轴提供了较高的工件定位和重复定位精度。

（3）冷却液充足，降低切削温度。 车铣复合加工中心配备的刀座带有冷却液出水口，可以调整方向，在切削过程中持续为刀片以及加工表面降温， 可以有效地解决高温合金切削温度过高的难题。

图1 车铣复合加工中心结构图Fig.1 Structural drawing of turnmilling machining center

3 加工工艺研究

3.1 刀具的选择

3.1.1 刀具材料的选择

切削难加工材料时，刀具的材料一般会选用高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷和立方氮化硼[3]。 其中，高速钢硬度和抗磨损能力较高，一般用于铣削，但切削速度不宜过高，限制在30～45m/min，带有涂层的高速钢刀具使其切削性能和寿命方面有了很大的提高； 硬质合金在切削温度过高的情况下仍然能保持高硬度，适合高速切削，被广泛应用； 涂层硬质合金是在硬质合金上沉积非常薄的耐磨材料，在具有较高的热硬性前提下，进一步提高了刀具的抗磨损能力，被广泛应用；陶瓷具有较高的抗磨损能力，但是其对机床刚性、切削液以及工件材料都有一定的要求； 立方氮化硼虽然具有优良的抗磨损能力和使用寿命，但价格昂贵，不是刀具的首选材料。

根据高温合金的切削特性以及刀具材料的使用工况， 切削GH4169 时刀具材料应选用钨钴类或含有难熔金属化合物的硬质合金，也可选用低钴超硬高速钢[4]。

3.1.2 刀具几何参数的选择

前角：粗车时，不必保证加工精度，为了提高加工效率，切削深度会较大，前角可取大一些，但前角过大会使切削刃强度减弱，散热条件变差，刀具使用寿命降低，一般在10°～15°之间；精车时，为了保证加工精度以及表面粗糙度要求，前角应取小些，一般在0°～5°之间。

后角：GH4169 散热性差，切削温度高，为了提高刀具使用寿命，减小后刀面与加工表面的摩擦，应选用较大的后角，可选10°～18°之间。

主偏角： 主偏角的大小影响切削力在径向和轴向上的分力大小，主偏角增大时，径向切削分力减小，轴向切削分力增大，切削GH4169 时应选用较小的主偏角，但主偏角过小会使径向切削分力增加，容易引起振动，一般在45°～70°之间。

刃倾角：粗车、断续切削和加工盲孔时，为了保护刀尖和向后排出切屑，刃倾角应为负值，一般为-10°；精车和加工通孔时，为了避免切屑划伤已加工表面，刃倾角可取0°～3°。

刀尖圆弧半径： 刀尖圆弧半径应不小于最大进给量的1.25 倍，否则会出现刀片打滑，加工表面出现螺纹状等现象，粗加工时，选用较大圆弧半径，精加工时，选用较小圆弧半径。

3.2 切削参数的确定

合理选用切削速度、进给量、切削深度的大小，在保证加工精度的前提下，提高加工效率，降低加工成本。

切削速度决定加工成本和加工效率，增大切削速度会提高加工效率，但同时会加速刀具磨损，增加加工成本。车削时， 根据机床的性能以及车削工件直径取适合的切削速度值， 当切断或切槽时， 由于刀片会与加工表面产生较大摩擦，应降低切削速度。

进给量与刀尖圆弧半径是影响工件表面粗糙度的主要因素[5]，在切削过程中，若增加进给量，摩擦热也会随之升高， 难以保证加工精度，若进给量若过低也会降低加工效率，所以粗加工时选择较大进给量，精加工时选择较小进给量。 车削时，粗车进给量一般为0.1mm/r～0.5mm/r，精车时可取更小；铣削时，根据铣刀直径选择进给量的大小，每齿进给量选择范围为0.03mm/z～0.25mm/z。

切削深度与待加工工件的去除余量有关，粗加工时，应小于有效切削刃长度；精加工时，不宜过小，不应超过刀尖圆弧半径值的1/3。

3.3 加工工艺路线设计原则

根据车铣复合加工中心的刀位数，在保证刀塔旋转和切削时不会撞刀或撞到尾座的前提下，充分利用每一个刀位，尽量减少换刀次数，提高加工效率。合理安排加工路线，一般遵循先粗后精、工序集中、一次定位、先面后孔等原则。尽量通过一次装夹便可实现零件的所有工序或大部分工序的加工，在缩短生产周期的同时又能提高加工精度。

在铣削高温合金型腔时，若去除余量较大，工件在较大切削力的作用下易产生变形，要留精加工余量，为使工件有一段变形恢复时间， 在最后一道工序完成关键尺寸的精加工。

3.4 加工工艺方案确定

以GH4169 轴类零件图2 为例，分析零件结构，确定其加工工艺方案。此零件内孔去除余量较大，为了提高加工效率， 利用铣刀和工件的同时旋转来完成内径φ18 尺寸的加工，8 个φ3.5 斜孔需要用到可调角度动力刀座进行加工， 零件可通过一次装夹完成所有加工工序， 根据其加工精度以及表面粗糙度的要求，选取切削参数， 加工工艺方案见表3。

内径φ18 加工工序编程举例：

O00004； （程序编号）

图2 GH4169 轴类零件Fig.2 GH4169 shaft parts

表3 加工工艺方案Tab.3 Processing plan

4 结论

本文基于车铣复合加工中心的加工特点与高温合金的材料特性， 并根据理论分析与实际加工生产经验结合，分析总结了切削GH4169 材料时刀具的选择、切削参数的确定，加工工艺路线设计的原则，通过合理按安排加工工艺，解决了GH4169 轴类零件切削温度高、切削变形大等难题，达到图纸设计要求，并提高了刀具使用寿命。通过对高温合金加工工艺的研究，以满足航空发动机的性能要求。