陶瓷刀具在發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣加工中的應(yīng)用

1 引言

　　我公司為美國(guó)GE公司轉(zhuǎn)包加工發(fā)動(dòng)機(jī)部件——中介機(jī)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(duì)加工性?xún)H為0.07)入撇；工件形狀十分復(fù)雜，中間有許多“島區(qū)”暇创，單邊加工余量最大可達(dá)30mm以上晤裆，最小也超過(guò)20mm，加工難度很大屈腻。目前我廠采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行銑削加工停间，但刀具磨損、破損嚴(yán)重姑王，加工效率很低叙棚，造成刀具費(fèi)用居高不下。為了提高加工效率盆战、降低生產(chǎn)成本粗排，我們嘗試采用陶瓷刀具替代硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鎳基高溫合金的粗銑加工。為此坡疼，對(duì)陶瓷刀片的切削加工性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究彬呻。

表1 安裝邊切削試驗(yàn)結(jié)果

刀片材料	轉(zhuǎn)速n (r/min)	進(jìn)給率f (mm/min)	切深ap (mm)	切削時(shí)間 (s)	刀片磨損情況
TiN金屬陶瓷	4000	750	2	30	崩齒嚴(yán)重
TiN金屬陶瓷	3500	716	2	32	崩齒
TiN金屬陶瓷	2000	400	1	40	崩齒嚴(yán)重
Si₃N₄ 賽阿龍?zhí)沾?/td>	4000	800	2	40	崩齒嚴(yán)重
Si₃N₄ 賽阿龍?zhí)沾?/td>	1500	225	2	45	崩齒嚴(yán)重
Si₃N₄ 賽阿龍?zhí)沾?/td>	1100	160	1	38	崩齒嚴(yán)重
Si₃N₄ 賽阿龍?zhí)沾?/td>	800	70	0.5	35	大面積層剝

2 試驗(yàn)內(nèi)容與條件

　　切削試驗(yàn)內(nèi)容

　　·加工安裝邊的切削試驗(yàn)。

　　·中介機(jī)匣的圓臺(tái)切削試驗(yàn)(確定加工參數(shù))柄瑰。

　　·中介機(jī)匣的開(kāi)槽切削試驗(yàn)(優(yōu)化加工程序)闸氮。

　　切削試驗(yàn)條件　

　　·試驗(yàn)用設(shè)備：德國(guó)德馬機(jī)床。

　　·試驗(yàn)用刀具：分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷和Si₃N₄賽阿龍?zhí)沾蓛煞N陶瓷刀片和日本強(qiáng)力夾緊刀柄教沾；銑刀盤(pán)直徑：d=31.75mm蒲跨，圓刀片的前角和后角均為11°。

　　·切削方式：三齒端面干銑削授翻，強(qiáng)風(fēng)吹屑或悲。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　·加工安裝邊的切削試驗(yàn)

　　本試驗(yàn)的目的是確定陶瓷刀片的切削性能。由于中介機(jī)匣使用的進(jìn)口材料價(jià)格昂貴堪唐，為節(jié)約成本巡语，利用報(bào)廢的安裝邊進(jìn)行切削試驗(yàn)。安裝邊材料為No.263淮菠，也屬鎳基高溫合金男公，含鎳量與Inconel 718相近，但硬度要低很多(22～25HRC)合陵。分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷刀片和Si₃N₄賽阿龍?zhí)沾傻镀瑢?duì)安裝邊進(jìn)行切削試驗(yàn)码完，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

　　圖1 大面積層剝報(bào)廢的刀片

　　由表1試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)玉唉，雖然切削參數(shù)并不高银悄，且切削時(shí)間很短点溶，但陶瓷刀片的損壞卻非常嚴(yán)重，出現(xiàn)了大面積層剝(見(jiàn)圖1上部)淫雾，這表明陶瓷刀片并不適合加工安裝邊比端。由于No.263材料的硬度較軟(22～25HRC)，用陶瓷刀片切削時(shí)易發(fā)生粘結(jié)磨損厢卖，在一定的溫度和壓力條件下擎津，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(jié)在一起房肿，隨著工件和切屑的運(yùn)動(dòng)啊嘁，粘結(jié)界面發(fā)生塑性流動(dòng)與剪斷，有時(shí)會(huì)將刀具材料粘結(jié)到工件上暗环，造成刀具磨損干际。此外，由于采用簡(jiǎn)易編程副瀑，走刀路線不符合零件形狀弓熏，造成斷續(xù)切削，使刀片發(fā)生崩刃和大面積剝落(見(jiàn)圖1下部)糠睡。

　　·中介機(jī)匣的圓臺(tái)切削試驗(yàn)

　　本試驗(yàn)的目的是確定用陶瓷刀片加工中介機(jī)匣的切削參數(shù)挽鞠。中介機(jī)匣的材料為Inconel 718(含鎳量約51%，硬度32～55HRC)狈孔。分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷刀片和Si3N4賽阿龍?zhí)沾傻镀?07機(jī)匣上進(jìn)行圓臺(tái)切削試驗(yàn)信认，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 中介機(jī)匣切削試驗(yàn)結(jié)果

刀片材料	轉(zhuǎn)速n (r/min)	進(jìn)給率f (mm/min)	切深ap (mm)	切削角 (°)	切削時(shí)間 (s)	刀片磨損情況
TiN金屬陶瓷	3500	716	2	30	70	崩齒嚴(yán)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(cè)刃有崩齒 (未在零件中)均抽，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(yán)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(zhuǎn)新面加工)
Si₃N₄賽阿龍陶瓷	7500	2000	3	0	190	磨損不大 (刀片轉(zhuǎn)新面加工)

從表2試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)嫁赏，TiN金屬陶瓷刀片不適合加工高溫合金；而Si₃N₄賽阿龍?zhí)沾傻镀瑒t非常適合加工鎳基高溫合金油挥。用賽阿龍?zhí)沾傻镀M(jìn)行加工時(shí)潦蝇，加大切削深度，切削效果反而更好深寥。這是因?yàn)橘惏執(zhí)沾刹捎肁l₂O₃作為耐磨相攘乒，Si₃N₄作為硬化相，具有很高的室溫與高溫硬度以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和抗機(jī)械磨損性能怀程，在1000°的高溫下仍能進(jìn)行切削袁挟。當(dāng)切深增加到3mm時(shí)，刀具與工件的接觸長(zhǎng)度比切深為2mm時(shí)增大喻丐，產(chǎn)生的切削熱也顯著增加冕店，此時(shí)被加工材料在高溫下發(fā)生軟化，使刀片的切削加工更為容易腔水，工作壽命也相應(yīng)延長(zhǎng)嘁压。因此邦孽，陶瓷刀具通常比較適合鎳基高溫合金的高速切削。此外爆踱，切削角的變化決定了刀具的進(jìn)刀方向揣喻，對(duì)切削加工性的影響也很大。

圖2 賽阿龍?zhí)沾傻镀p情況

　　上述切削試驗(yàn)優(yōu)選確定了陶瓷刀片銑削中介機(jī)匣的加工參數(shù)变抡。圖2為采用表2最后一組參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)的刀具磨損情況汰畔。

　　·中介機(jī)匣的開(kāi)槽切削試驗(yàn)

　　本試驗(yàn)的目的是優(yōu)化中介機(jī)匣的數(shù)控加工程序。切槽加工是中介機(jī)匣加工的難點(diǎn)酌省，加工余量大捂滓，在“島區(qū)”之間進(jìn)行切削需頻繁換向，因此走刀路線的確定和加工程序的優(yōu)化顯得極為重要布蔗。在開(kāi)始編程時(shí)藤违，走刀路線采用“拐直角”的方式(見(jiàn)圖3)。

圖3走刀路線的優(yōu)化

切削試驗(yàn)結(jié)果表明纵揍，該方式在切削換向時(shí)切削力很大顿乒，表現(xiàn)為工件溫度高，機(jī)床振動(dòng)大泽谨，主軸功率利用率達(dá)到80%璧榄，陶瓷刀片出現(xiàn)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(qiáng)度與韌性相對(duì)較低吧雹，在切削過(guò)程中頻繁換向時(shí)受到交變應(yīng)力的作用骨杂，很容易沿晶界產(chǎn)生微裂紋，并逐漸擴(kuò)展吮炕，最后導(dǎo)致刀片碎裂腊脱。針對(duì)這種情況，我們對(duì)加工程序進(jìn)行了優(yōu)化龙亲，在拐角處應(yīng)減小切削參數(shù)的部位改為 “走圓角”的方式(見(jiàn)圖3)陕凹。試驗(yàn)結(jié)果基本解決了上述問(wèn)題，機(jī)床振動(dòng)減小吻讽，工件溫度降低贸薇，主軸功率利用率約為40%，刀片的磨損情況為正常磨損值资。

　　·切屑形態(tài)

　　鎳基高溫合金為塑性較大的材料鸡犯，切屑形態(tài)通常為帶狀屑。采用陶瓷刀片進(jìn)行高速切削時(shí)雏仆，切屑形態(tài)由帶狀屑轉(zhuǎn)變?yōu)樗樾己瘢@種切屑的形成機(jī)理與普通材料在低速切削時(shí)形成的擠裂切屑有著本質(zhì)的不同。隨著切削速度的逐步提高狠浮，切削時(shí)的切屑變形規(guī)律也會(huì)發(fā)生一些變化舍辐，切屑的剪切變形逐漸加劇拔若，剪切區(qū)的滑移逐漸加強(qiáng)，即使是塑性材料茬燃，其切屑形態(tài)也會(huì)逐漸從帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀切屑驳楞，進(jìn)而有可能轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧行肌Ｓ捎谠诟咚偾邢鞯臈l件下切屑由帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧行急眨行寂c前刀面的摩擦不再是切削力和切削熱的主要來(lái)源献烦，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卖词，從而對(duì)降低切削力和切削熱產(chǎn)生有利影響巩那。在高速切削條件下，切削熱來(lái)不及傳遞到工件及刀具上坏平，大部分熱量由切屑帶走拢操，因此工件和刀具的溫度不高锦亦，而切屑在高溫下發(fā)生氧化作用舶替，形成特別酥脆的單元切屑(見(jiàn)圖4)。

圖4 高速銑削時(shí)形成的單元切屑

　　中介機(jī)匣的加工為高速干式切削(切削線速度達(dá)到約700m/min)杠园，采用高壓吹風(fēng)式排屑顾瞪，排屑情況良好，狀如流星雨抛蚁。

·效率及成本

　　采用陶瓷刀片對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣進(jìn)行高速加工時(shí)陈醒，由于刀具性能好，切削速度高瞧甩，排屑快速順暢钉跷，因此可大幅度提高生產(chǎn)效率，降低加工成本湖弱。如中介機(jī)匣的圓臺(tái)切削册榔，工件毛料大徑為f387mm，高度為63mm祖修，小徑為f354.6mm瘤薪，當(dāng)切深為3mm時(shí)，表面積為735cm²炊健，切削時(shí)間為3分鐘的金屬去除量可達(dá)到220cm³揽仔，生產(chǎn)效率相當(dāng)可觀。以前采用傳統(tǒng)工藝完成圓臺(tái)銑削凰茫、開(kāi)槽銑削需要20多個(gè)小時(shí)琅戏，現(xiàn)在采用新工藝僅用2.5小時(shí)即可完成，僅此一項(xiàng)必工，就可以降低加工成本4000多元择常。

　　4 結(jié)論

　　由切削試驗(yàn)結(jié)果(表1册血、表2)可知，采用陶瓷刀具進(jìn)行加工時(shí)撤奸，必須連續(xù)切削吠昭，否則刀具磨損很快。

　　Si^_₃N₄賽阿龍?zhí)沾傻毒叻浅＿m合鎳基高溫合金的切削加工胧瓜。利用高速干式切削產(chǎn)生的切削熱矢棚，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府喳，這是刀具壽命顯著提高的根本原因蒲肋。

　　為了獲得滿(mǎn)意的加工效果，切削參數(shù)的合理選擇十分重要钝满。加工編程時(shí)對(duì)走刀路線的優(yōu)化(轉(zhuǎn)角處走圓角)對(duì)于改善刀具磨損狀況兜粘、提高刀具壽命作用很大。

　　采用陶瓷刀具進(jìn)行高速銑削時(shí)弯蚜，切屑形態(tài)為酥脆的單元碎屑孔轴。

　　采用陶瓷刀具加工發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣是提高生產(chǎn)效率、降低加工成本的有效途徑碎捺。隨著性能先進(jìn)的大功率機(jī)床的引進(jìn)路鹰，陶瓷刀具在我公司將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

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