（航空宇航科学与技术专业论文）难切削材料高效切削技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院丁学硕+ 学位论文 摘要 镍基高温合金g h 4 1 6 9 是火箭发动机和航空发动机广泛采用的金属材料，属 于难切削材料。由于切削加工工艺的高难度，g h 4 1 6 9 已经成为我国火箭型号研制、 批生产加工的瓶颈。本文针对难切削材料g h 4 1 6 9 的高效切削技术进行了比较系 统的理论，试验及应用研究，具体工作如下： 设计了确定g h 4 1 6 9 高效铣削参数的试验方案，包括试验材料、试验设备、 加工和测量系统的原理。 分析了切削镍基高温合金刀具的加工特点、以及用于试验系统中的各种刀具 材料与刀具结构。 分别选用表面改性处理高速钢、超硬高速钢刀具及镀层硬质合金、未镀层硬 质合金等刀具进行了高效铣削g h 4 1 6 9 铣削力的试验研究。通过对铣削力的数据 进行分析研究，分析了铣削速度、每齿进给量、径向切深、轴向切深等主要因素 对铣削力的影响机理，研究了不同铣削参数在冷却和干切两种切削状态下对铣削 力的影响，并对这些因素进行了分析，为后续的刀具耐用度试验确定了选择铣削 参数的基础。 完成铣削力试验研究后，对试验刀具进行耐用度对比试验。首先，对硬质合 金刀具进行试验分析，分析比较了镀层和未镀层刀具、密齿和疏齿刀具耐用度的 差别及其原因；然后，对高速钢刀具进行试验分析，分别选用表面改性处理高速 钢、超硬高速钢刀具进行了磨损对比试验，对其磨损机理进行了分析，寻找出更 适合加工镍基高温合金的高速钢刀具，为高速铣削镍基高温合金的铣削参数的优 化奠定了基础。 依据切削力和刀具耐用度试验的研究结果，对镍基高温合金切削过程的铣削 参数进行优化。利用加工总耗时和刀具寿命内材料去除量这两个评价为标准，得 到相应的最佳切削速度。 基于上述所有试验结果，对试验所用刀具进行了综合评价，对刀具材料，结 构进行了分析，选择出高效铣削g h 4 1 6 9 的硬质合金及高速钢刀具的材料、结构、 以及铣削参数。给出了应用实例，在多个型号上得到应用，并在批生产中发挥了 重要作用，较大幅度地提高了生产效率，具有较高的社会综合效益。 主题词：镍基高温合金，高效铣削，铣削力，刀具耐用度 第i 页 国防科学技术大学研究生院下学硕十学位论文 a bs t r a c t n i c k e l b a s e ds u p e r a l l o yg h 416 9i sak i n do fm e t a l l i cm a t e r i a lt h a ti sw i d e l yu s e d i nr o c k e tm o t o ra n da e r o n a u t i cm o t o rm a n u f a c t u r i n g i ti sak i n do fh a r d - t o c u tm a t e r i a l t h ep r o c e s s i n go fn i c k l e b a s e ds u p e r a l l o yg h 416 9h a sb e e nt h eb a t t l e n e c ko fr o c k e t d e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r ea st h er e s u l to ft h ed i f f i c u l t i e so fc u t t i n g i nt h i sp a p e r , w eh a v em a d es y s t e m a t i c ，t h e o r e t i c a la n da p p l i c a t i o nr e s e a r c h e s w h a th a v eb e e nd o n e a r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，a ni n t r o d u c t i o nw a sg i v e nf o rt h eb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c ea n dt h es t a t u sa t h o m ea n da b r o a da b o u th i g he f f i c i e n c yc u t t i n gt e c h n o l o g yo fh a r d t o - c u tm a t e r i a l a f t e rt h a t ，w ed e s i g n e dat r i a lp r o g r a mt oa s c e r t a i nt h ep a r a m e t e r sr e l a t i n gw i t h g h 416 9h i g he f f i c i e n c yc u t t i n g t h i sp r o g r a mi n c l u d e st e s tm a t e r i a l ，t e s te q u i p m e n t a n dt h ep r i n c i p l e so f p r o c e s s i n ga n dm e a s u r i n g t h e n ，w ea n a l y z e dt h ep r o c e s s i n gf e a t u r e so ft o o l su s e dt oc u tn i c k e l b a s e d s u p e r a l l o y ，a n dt h em a t e r i a lo ft o o l su s e di nt h et e s ta sw e l la st h es t r u c t u r e r e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n ei n t h i sp a p e rb a s e do nt h er e s u l t so ft h et e s t s i nt h e t e s t s ，w ec h o s es u r f a c em o d i f i c a t i o nh i g h - s p e e ds t e e la n ds u p e r - h a r dh i g h - s p e e ds t e e l t o o l s ，c o a t e dc a r b i d ea n dc o m m o nc a r b i d et o o l st oc u tg h 4 16 9e f f i c i e n t l y ，t h e n ，b y a n a l y z i n gt h ed a t ao fm i l l i n gf o r c e ，w ea n a l y z e dh o wt h em a j o rf a c t o r ss u c ha sm i l l i n g r a t e ，t o o t hf e e dr a t e ，r a d i a lc u td e p t ha n da x i a lc u td e p t ha f f e c t e dt h em i l l i n gf o r c e ；h o w t h ed i f f e r e n tm i l l i n gp a r a m e t e r si nt h et w os t a t e so fc o o l i n ga n dd r y c u t t i n ga f f e c t e dt h e m i l l i n gf o r c e ，a n dt h e na na n a l y s i sw a sm a d ea b o u tt h ef a c t o r s a l lo ft h e s er e s e a r c h e s a r et h eb a s i st os e l e c tm i l l i n gp a r a m e t e r si nt h ef o l l o w i n gt e s t so ft o o ll i f e a sf o rt h et e s tt o o l s ，a f t e rt h em i l l i n gf o r c ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，w et o o kas e r i e s o fd u r a b i l i t yc o m p a r a t i v et e s t s a c c o r d i n gt ot h et e s t s ，w ea n a l y z e dt h ed i f f e r e n c eo f d u r a b i l i t ya sw e l la si t sr e a s o nb e t w e e nc o a t e dt o o l sa n dc o m m o nt o o l s ，d e n s et e e t h t o o l sa n dr a r et e e t ht o o l s w ea l s ot o o kw e a rc o m p a r a t i v et e s t sb yc h o o s i n gs u r f a c e m o d i f i c a t i o nh i g h s p e e ds t e e l ，s u p e r - h a r dh i g h - s p e e ds t e e lt o o l s ，a n dt h e na n a l y z e d t h e i rw e a rm e c h a n i s m f i n a l l y ，w eh a v ef o u n do u tt h eh i g h s p e e ds t e e lt o o l st h a ta r e m o r es u i t a b l et op r o c e s sn i c k e l b a s e ds u p e r a l l o y s i nf a c t , i ti sq u i t eb a s i cf o ru st o o p t i m i z et h em i l l i n gp a r a m e t e r si nt h en e x ts t e p i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ea n a l y s i st ot h et e s t s ，w eh a v eo p t i m i z e dt h ec u t t i n g p r o c e s so fn i c k e l - b a s e ds u p e r a l l o y s a n d ，f i n a l l yw eg o tt h eo p t i m a lc u t t i n gs p e e d ， f o l l o w i n gt h et w op r i n c i p l e s ：t o t a lp r o c e s s i n gt i m ea n dm a t e r i a lr e m o v a la m o u n tw i t h i n t o o ll i f e b a s e do na l lt h er e s u l t so ft h et e s t s ，w ee v a l u a t e dt h et o o l su s e di nt h et e s t s s y n t h e t i c a l l y ，a n da n a l y z e dt h em a t e r i a la n ds t r u c t u r eo ft o o l s t h e n ，s e l e c t e dt h e c a r b i d ea n dh i g h s p e e ds t e e lt o o lm a t e r i a l ，s t r u c t u r ea n dm i l l i n gp a r a m e t e r st oc u t 第i i 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕十学位论文 g h 4 16 9w i t hh i g he f f i c i e n c y a p p l i c a t i o n sh a v eb e e nm a d ei nm a n y t y p e sb a s e do no u r r e s e a r c h e s ，w h i c hh a si m p r o v e dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a d eh i g hs o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：n i c k e l b a s e ds u p e r a l l o y ，h i g he f f i c i e n c yc u t t i n g ，m i l l i n g f o r c e ，t i o o ll i f e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕十学位论文 表目录 表1 1i n c o n e l7 1 8 的化学成份。2 表1 2i n c o n e l7 1 8 的机械物理性能2 表4 1 切削参数2 0 表4 2 铣削速度对铣削力影响2 4 表4 3 铣削速度对铣削力影响2 9 表5 1 刀具磨损数据表4 1 表5 2 试验使用刀具列表4 3 表5 3 试验参数及结果4 4 表5 4 试验参数及结果4 5 表5 5 试验参数及结果4 7 表5 - 6 试验参数及结果4 8 表5 7 试验参数及结果4 9 表5 8 试验参数及结果5 0 表5 - 9 几种硬质合金刀具的铣削性能对比5 7 表5 1 0 试验使用刀具列表5 7 表6 1 计算结果6 4 表6 2 调整结果6 4 表7 1 对镀层及无镀层硬质合金刀具的综合评价6 7 表7 2 对4 刃8 刃两种硬质合金刀具的综合评价6 8 第页 国防科学技术大学研究生院丁学硕十学位论文 图目录 图2 1 加工和测量系统的原理图8 图2 2 试验方案设计框图9 图4 1 高速钢铣刀油冷典型铣削力信号1 9 图4 2 铣削速度对铣削力的影响2 0 图4 3 铣削速度对铣削合力的影响2 0 图4 4 每齿进给量对铣削力的影响2 l 图4 5 每齿进给量对铣削合力的影响2 1 图4 - 6 径向切深对铣削力影响2 2 图4 7 径向切深对铣削合力影响2 2 图4 8 轴向切深对切削力的影响2 2 图4 9 轴向切深对切削合力的影响2 3 图4 1 0 硬质合金干切典型铣削力信号2 3 图4 1 1 铣肖0 速度对铣削力的影响( 干切) 2 4 图4 1 2 铣削速度对切削合力的影响2 5 图4 1 3 每齿进给量对铣削力的影响( 干切) 2 5 图4 1 4 每齿进给量对铣削合力的影响( 干切) 2 6 图4 1 5 径向切深对铣削力影响( 干切) 2 6 图4 1 6 径向切深对铣削合力影响( 干切) 2 7 图4 1 7 轴向切深对切削力的影响( 干切) 一2 7 图4 1 8 轴向切深对切削合力的影响( 干切) 一2 7 图4 1 9 硬质合金油冷典型铣削力信号2 9 图4 2 0 铣削速度对铣削力的影响( 油冷) 3 0 图4 2 l 铣削速度对铣削合力的影响( 油冷) 。3 0 图4 2 2 崩刃形态。3 0 图4 2 3 每齿进给量对铣削力的影响( 油冷) 。3 1 图4 2 4 每齿进给量对铣削合力的影响( 油冷) 3 1 图4 2 5 径向切深对铣削力的影响( 油冷) 3 2 图4 2 6 径向切深对铣削合力的影响( 油冷) 一3 2 图4 2 7 轴向切深对铣削力的影响( 油冷) 3 2 图4 2 8 径向切深对铣削力的影响( 油冷) 3 3 图5 1h s m 3 1 6 0 镀层硬质合金刀具磨损形态图3 6 图5 2d 0 1 4 刀具磨损形态图3 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕十学位论文 图5 3z 5 1 8 刀具磨损形态图3 7 图5 4z 6 1 5 0 5 5 5 ，m 4 2 刀具磨损形态图3 8 图5 5z 6 1 5 0 5 5 4 ，p 1 8 刀具磨损形态图3 8 图5 - 6 刀具崩刃形态3 9 图5 7 刀刃的对数趋势图4 2 图5 8 切削时间1 0 7 2 分钟磨损形态4 3 图5 - 9 切削时间2 2 7 7 分钟磨损形态4 3 图5 1 0 切削时间2 9 4 7 分钟磨损形态。4 4 图5 1 1 刀具破损形态4 4 图5 1 2 刀刃磨损最终形态图一4 5 图5 1 3 刀刃磨损最终形态图4 6 图5 1 4 刀刃磨损最终形态图4 6 图5 1 5 切削时间8 9 3 分钟磨损形态4 8 图5 1 6 切削时间2 6 3 4 分钟磨损形态一4 8 图5 1 7 刀刃磨损最终形态图4 8 图5 1 8 刀刃磨损最终形态图4 9 图5 1 9 刀刃磨损最终形态图一5 0 图5 2 0 铣削速度的影响5 1 图5 2l 每齿进给量的影响。51 图5 2 2 径向切深的影响5 2 图5 2 3 切削时间2 2 7 分钟磨损形态5 3 图5 2 4 切削时间3 9 7 2 分钟磨损形态5 3 图5 2 5 切削时间1 4 7 分钟磨损形态5 4 图5 2 6 切削时间4 9 5 8 分钟磨损形态。5 4 图5 2 7 铣削速度对刀具耐用度的影响5 5 图5 2 8 四刃刀具4 2 分钟磨损形态5 5 图5 2 9 八刃刀具5 6 7 分钟磨损形态一5 5 图5 3 0 四刃刀具6 0 分钟磨损形态5 5 图5 3 l 八刃刀具3 9 6 7 分钟磨损形态5 6 图5 3 2z 615 0 5 5 4m 4 2 崩刃形态5 8 图5 3 3 三种高速钢刀具的试验结果5 8 图5 3 4z 6 1 5 0 5 5 5m 4 2 的磨损形态5 9 图5 3 5z 6 1 5 0 5 5 4p 1 8 的磨损形态5 9 图5 3 6z 6 1 5 0 5 5 5p 1 8 的磨损形态5 9 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：整翅翻越整直夔翅豳墓盔堡究 一 学位论文作者签名：毯鱼运 魄耐年广胎日 学位论文版权使阕援权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：够年了月知日 日期：o 孑年r 月，d 日 国防科学技术大学研究生院t 学硕+ 学位论文 第一章绪论弟一早三百v 匕 1 1 研究高温合金高效切削的背景与意义 高温合金( h i g h - t e m p e r a t u r ea l l o y s ) 又称耐热合金( h e a t r e s i s t a n ta l l o y s ) 的主要特 点是含有较多的高熔点、高激活能合金元素，具有高温强度高、热稳定性和抗热 疲劳性好等特点，能够在高温燃气条件下长期工作，是火箭发动机和航空喷气发 动机中的关键材料。 高温合金按成份可分为铁基、铁镍基、镍基和钴基四种。其中，铁基高温合 金以f e 为基体，加入少量的n i 、c r 等合金元素，发动机上使用的以奥氏体组 织为多，适用于制造工作温度较低的零件。铁镍基高温合金中镍的含量大大提高， 达3 0 - 4 0 ，此类合金一般具有比镍基、钴基高温合金更高的抗拉强度，适用于比 铁基高温合金稍高的工作温度。镍基高温合金的含镍量在5 0 以上，工作温度较 高，可达1 0 0 0 以上。通过固溶、时效等方法强化，可得到较理想的强度和抗蠕 变性能，因而广泛地用于火箭和航空发动机n 1 。钴基高温合金以钴为基体，约占 4 5 6 0 ，加入c r ，n i ，c ，w ，m o ，f e ，n o ，b 等以提高耐热性和进行合金强化。 这类合金的耐高温性能最好，但由于全球钴资源比较少，冷作硬化严重，加工特 别困难，因此用量较少【2 删。 在上述四类高温合金中，镍基高温合金是美国等主要生产国中产量最大的一 类高温合金，也是我国使用量最大的一类高温合金。其中美国国际镍公司 ( i n t e r n a t i o n a ln i c k e lc o ) 的i n c o n e l 7 1 8 是目前生产量最大的高温合金牌号，它与我 国的g h 4 1 6 9 相当，广泛地用于制造喷气发动机中的涡轮盘、涡轮轴、轴颈、封 严环和叶片等高温部件。i n c o n e l 7 1 8 的镍含量为5 0 5 5 ，其余主要元素有f e ，c r ， n b 等( 见表1 1 、1 2 ) 它是以体心立方n i 3 n b ( 77 ) 和面心立方n i 3 ( a 1 ，t i ，n b ) ( 丫7 ) 强化的镍铁基合金( 通常称为镍基合金) ，在低温到7 0 0 以下具有高的屈服强度、 拉伸强度和持久强度。在6 5 0 - - - 7 6 0 具有良好的塑性，一般认为i n c o n e l 7 1 8 的组 织是由丫基体、n b c 、丫、丫，、6 相组成。n b c ( t i 、r c o ) ( c n ) 等碳化物数量很 少，比较稳定。丫相数量最多，是合金的主要强化相。晶格常数为a o = 3 6 4 2 a ， c o = 7 4 0 6 a ，呈圆盘状在基体中弥散析出，强化作用是通过丫7 的共格畸变而实现。 丫，相数量次之，呈球状弥散析出，对合金起一部分强化作用，此外还有一些碳化 物起强化相作用。i n c o n e l 7 1 8 未经时效时，基本上为单相奥氏体，组织中强化相不 多。此时一般仅能应用于不受太大力的高温薄壁零件，对于高温受力零件，如叶 片，涡轮盘，涡轮轴等，则必须经过时效处理，淬火后得到饱和的镍基奥氏体， 第1 页 国防科学技术大学研究生院丁学硕+ 学位论文 经过时效后析出金属问化合物丫和1 ，相以及碳化物强化相。它们呈弥散状分布 于晶格内( 以丫为多) 和晶界处( 以为丫，多) ，从而强化了晶界。这种局部合金化 能阻碍晶界滑动和迁移。这些强化相越多，合金强度、硬度越高，耐磨性越好。 i n c o n e l 7 1 8 属变形高温合金，在锻造时要求相当大的变形量，在此情况下，金属晶 体内产生大量的位错，在合金内部形成很高的微观内应力，也是强化作用的一个 方面。在9 5 0 l 小时固溶情况下，锻造的变形位错全部消失，没有丫和1 ，沉 淀强化效果。所以，不经固溶处理的直接时效处理具有1 ，7 和丫，沉淀强化和变形 位错强化二种强化效果，比固溶加时效处理的合金有更高的强度，机械性能更高。丌。 表1 1i n c o n e l7 1 8 的化学成份 cm ns ipsc rn ic o o 0 60 2 2o 1 50 0 0 7 0 0 0 21 8 1 45 2 4 70 1 6 m o t ia 1b f e c b + t ac u 3 0 l0 9 6o 6 l0 0 0 3 余 5 1 20 0 3 表1 2i n c o n e l7 1 8 的机械物理性能 温度抗拉强度 热膨胀 状态延伸率d h r c 导热系数w m 系数 嘞g p a l 旷 1 2 2 0 01 4 5 3 2 21 0 6 3 固溶 2 8 3 2 2 0 51 4 2 62 21 2 0 21 3 1 9 4 0 01 3 7 8 2 21 3 4 01 3 6 3 时效 3 8 4 2 7 6 00 8 6 03 01 6 1 21 4 2 0 高温合金的抗拉强度要比一般合金钢高很多，尤其是其高温强度和韧性，一 般到7 5 0 才开始有明显下降，但导热系数约是钢的3 0 ，加上大量金属间化合 物1 ，7 、丫，的作用，使高温合金的切削加工出现切削力大，切削温度高，刀具磨损 严重，加工硬化严重、工件表面质量差等问题碑1 ，显得特别难加工。 几十年来，承担火箭型号研制、批生产任务的某些重点单位，一直把高温合 金的加工作为加工难点和重点研究对象，但进展不大，也一直未能进行系统研究， 高温合金加工的切削速度一直在8 1 0 m m i n ( 高速钢) ，2 0 - 2 5 m m i n ( 硬质合金) ， 生产效率极低。随着航天事业的发展，高温合金g h 4 1 6 9 ，g h l 2 0 2 等镍基高温合 金应用逐渐广泛，和以往型号相比使用量剧增，如5 0 吨氢氧发动机涡轮泵的难加 工材料重量将达到9 0 以上。由于它的强度高，塑性大，切削加工时切削变形大， 加工硬化严重，切削力大，切削温度高，切屑粘刀，刀具加工过程中磨损剧烈， 产品表面质量和精度不稳定，难以保证质量；加工过程中反复换刀，nr 效率低； 进口刀具价格昂贵，且型号异型结构多，往往需要设计制造非标准刀具。高温合 金的切削加工已成为型号研制、批生产加工的瓶颈。 第2 页 国防科学技术大学研究生院下学硕十学位论文 1 2 国内外研究现状 难加工材料的切削加工问题一直是金属切削界重点研究内容，航空航天制造 业中，大部分材料均属难加工材料，其中典型的就是镍基高温合金。镍基高温合 金难加工反映在切削加工时刀具磨损严重，切削温度高，加工硬化严重，生产效 率低，大部分的硬质合金和高速钢刀具几乎无法加工镍基高温合金。材料加工的 难易程度一般从刀具耐用度，已加工表面完整性，切屑控制等几个方面综合衡量。 但在实际应用中，最常用的是用刀具耐用度来衡量切削加工性的好坏。所以通常 所谓切削加工性差，主要是指刀具耐用度低或一定耐用度下所允许的切削速度低。 航空产品，特别是飞机、火箭发动机大量使用难加工材料，如不锈钢、高强度钢、 钛合金和高温合金等。其中以高温合金的加工性最差。随着飞行器性能的不断提 高，材料的加工也更困难。以4 5 钢为例，其加工性指数为1 0 0 ( 切削速度2 4 4 m m i n ， 耐用度3 0 m i n ) ，而目前最常用的镍基高温合金i n c o e l 7 1 8 的加工性指数只有l o 左 右嘲。 针对难加工材料的切削加工，各国的专家、学者和工程技术人员开展了大量 的理论，试验和生产应用研究。针对不同的材料特性，发展不同的切削技术。为 解决难加工材料的切削加工问题，一般通过以下几个途经： ( 1 ) 用新型高性能的刀具材料； ( 2 ) 对刀具几何参数和切削用量进行优化； ( 3 ) 研制、选择合适的切削液； ( 4 ) 采用适当的热处理工艺改善材料的可加工性； ( 5 ) 采用一些辅助装置开发新的切削工艺，如加热，冷冻，超声振动，通微弱 电流等。 近年来，陶瓷刀具和c b n 刀具综合性能明显提高，成本大大下降，应用越来 越广泛，其中最主要的应用领域就是解决难加工材料的切削加工。采用这些先进 刀具切削难加工材料，使许多过去无法切削的加工成为可能，使切削效率成倍提 高。例如，用c b n 刀具加工的材料硬度可达h r c 6 3 以上，陶瓷刀具可以 1 0 0 2 0 0 m m i n 的切削速度加工高温合金。目前，难加工材料切削加工的主要矛盾 已从是否能够切削加工转向如何更高效率地进行加工。高速切削时，随着切削速 度的提高，切削力逐渐减小，切削温升逐渐趋缓，加工表面质量提高，加工成本 降低1 0 】。 第3 页 国防科学技术大学研究生院1 _ 学硕+ 学位论文 1 2 1 国外研究现状 目前，在各种难加工材料中，研究的热点是镍基高温合金。从八十年代初开 始，美、英、德等国对陶瓷刀具高速切削镍基合金就进行了多方面的研究。近十 年来，国外在高温合金的加工上已经有了重要的进展，目前已将高速铣削技术应 用到高温合金的切削加工上。超高速切削是近一二十年来发展起来的一项先进制 造技术。所谓超高速切肖l j ( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ) 是采用比常规切削速度高得多的切 削速度进行加工n 。由于不同的加工工序，不同的工件材料有不同的切削速度范 围，因此很难就超高速切削的切削速度范围给一个确定的数值，一般人认为铣削 速度为3 0 0 6 0 0 0 m m i n 。德国在v w 汽车厂铣切加工铝合金法兰，切削速度为 3 7 7 0 r n m i n ，l a m b 公司铣削铸铁时切削速度为1 5 4 0 m m i n ，精切h r c 4 8 5 5 的淬硬 钢，切削速度为l0 0 2 0 0 m m i n ，德国d a r m s t a d t 大学试验室加工镍基高温合金切 削速度达1 5 2 m m i n 。英、美等国研究人员试验比较了t i a i n 和c r n 镀层刀具在切 削速度为1 5 0 m m i n 下铣削加工i n c o n e l 7 1 8 高温合金的效果，t i a l n 镀层刀具显示 了其优势n2 1 ，还有试验证明k 2 0 的硬质合金刀具是最适宜高速铣削镍基高温合金 n 3 1 4 1 。一般认为高温合金切削速度在5 0 1 0 0 m m i n 以上即为高速切削n5 1 。高速切 削有一系列优点n 6 h 7 1 。首先是切削效率得到大幅度提高，单位时间材料切除量比 一般切削加工可提高3 5 倍，同时，当采用极高的切削速度以及小吃刀深度与大 进给速度时，加工表面粗糙度可达到磨削加工的水平，可实现用精铣加工代替磨 削加工，从而使生产率显著提高，并降低了制造费用。另外，超高速切削时切削 力可降低3 0 左右，可减少加工变形，对薄壁零件十分有利n8 1 9 瑚1 。由于有上述种 种优点，近年来西方国家都大力研究和发展此项技术。 1 2 2 国内研究现状 前几年，我国超高速切削主要用于加工有色金属、灰铸铁，近年来已经发展 到切削钢件和部分难加工材料。一汽大众是与德国合作的生产厂，当前加工汽车 上铝合金的箱体、箱盖都采用了超高速切削，切削速度为2 0 0 0 3 0 0 0 d m i n ，刀具 用聚晶金刚石面铣刀等。上海大众加工发动机上的铸铁件时，也用超高速铣削， 刀具用c b n 铣刀等。我国在九十年代初，才开展了高温合金的高速加工研究。山 东工业大学艾兴教授领导研制了晶须增韧陶瓷刀具，并进行了晶须增韧陶瓷刀具 加工镍基高温合金的切削性能与损坏机理研究，取得了良好的效果1 。陶瓷刀具 由于较差的抗冲击性和易断裂，很少应用于高速铣削。国外在使用陶瓷刀具将车 削i n c o n e l 7 1 8 高温合金的速度提高到2 0 0 r n m i n ，切削过程稳定，刀具磨损均匀陇1 。 第4 页 国防科学技术大学研究生院下学硕十学位论文 在研究高速切削高温合金的过程中，各国的研究人员也采取了许多辅助加工 手段，例如采用液氮冷却的方式能有效降低高速加工过程中的刀具磨损，并提高 表面质量，但使用高压低温空气作为冷却手段时却发现，随着切削速度的增加， 冷却对增大刀具寿命的作用将越来越小洲。 总结有关难加工材料高速切削的研究，可以发现存在下列一些问题： ( 1 ) 缺乏系统性研究。每项研究一般只考虑一方面的问题，多数研究侧重于 刀具的磨损、破损方式，而对影响难加工材料切削效率的各方面因素缺乏全面、 综合的研究。 ( 2 ) 国内外见诸报导的研究中，有关切削工艺参数很少公开，不排除欧美的 研究者出于保密的原因不予公开这种可能性。由于缺乏这方面的数据，我国的制 造业，尤其是航空航天制造业中难加工材料切削加工受益甚少。在国内许多厂家 经常发生这种情况，花了很高价钱购买进口刀具，但由于缺少切削工艺参数以及 机床，切削液等原因，刀具使用情况一直不如意。 ( 3 ) 我国在难加工材料高速切削方面研究甚少，许多企业对高速加工和先进 刀具材料应用缺少正确认识，因此使我国在这方面的研究和应用大大落后于欧美 等工业发达国家。 针对以上问题，可以看出在现有条件下开展难加工材料高速切削的研究有一 定难度，但是进行难加工材料高效切削的研究还是有条件和必要的。 1 3 本文研究内容与章节安排 本文以提高镍基高温合金g h 4 1 6 9 加工效率和刀具耐用度为研究主体，重点 对难切削材料g h 4 1 6 9 的高效切削技术进行了比较系统的理论、试验及应用研究。 全文共分七章，各章主要内容如下： 第一章介绍论文研究背景。分析了高温合金高效切削的现状、发展需求及国 内外研究现状，列出了试验材料和设备，指出了要解决的关键问题，并得出其解 决方案。 第二章介绍了本文试验的设计具体情况，其中包括试验材料、试验设备、加 工和测量系统的原理及论文研究的主要工作。 第三章分析了难加工材料之一的镍基高温合金的加工特点，分析了硬质合 金、镀层硬质合金、高速钢等刀具材料的特点，并为后续试验选择了生产这几种 刀具的厂家，最后还分析了刀具破损的主要原因，确定了刀具的基本结构。 第四章根据国内的实际情况较系统的进行了g h 4 1 6 9 合金铣削刀具切削力试 验，选择了镀层硬质合金整体立铣刀、未镀层硬质合金整体立铣刀以及超硬高速 第5 页 国防科学技术大学研究生院下学硕十学位论文 钢刀具、进行过表面改性处理的高速钢刀具等十余种刀具进行了对比试验。建立 了干切及油冷的经验公式。 第五章研究了影响铣削g h 4 1 6 9 合金切削力的主要因素，并且对这些因素 进行了分析，确定刀具耐用度经验公式。 第六章确定铣削g h 4 1 6 9 合金的最佳切削参数，对刀具磨损进行了研究，并 分析刀具磨损的影响因素并建立最优化目标函数，综合各种条件求取目标函数的 极值，最后得最优铣削参数。 第七章对高速钢、镀层硬质合金刀具、无镀层硬质合金刀具、八刃和四刃硬 质合金刀具做了综合评价及结构选择，列出各种刀具的优缺点，明确推荐实际应 用时的有关参数和典型结构。本章最后用一定的篇幅阐述了本文研究在多个型号 上的应用结果和具有的社会综合效益。 结束语对论文进行总结，阐述了高效铣削镍基高温合金技术可以大大提高生 产效率和经济效益，指出进一步的研究方向。 第6 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕+ 学位论文 第二章试验方案设计 2 1 试验材料 试验所用材料为镍基高温合金g h 4 1 6 9 ，在我国的航天航空制造业的生产实践 中，该牌号的合金是最典型的难加工材料。 2 2 试验设备及加工和测量系统的原理 试验所用的设备及参数如下： ( 1 ) 加工设备一共有三种，分别是x s 5 0 4 0 立式铣床、t h 5 6 0 0 a 加工中心和 m i k r o nu p c 7 l o 五轴加工中心。其技术参数分别为： x s 5 0 4 0 立式铣床：转速5 0 2 5 0 0 r p m ：功率1 9 k w ；进给速度4 0 2 0 0 0 m m m i n ： 行程( x y z ) 1 6 0 0 4 0 0 5 0 0 m m 。 t h 5 6 0 0 a 加工中心：转速o - 5 0 0 0 r p m ；功率8 k w ；进给速度0 - 8 0 0 0m m m i n ； 行程( x y z ) 1 0 0 0 6 0 0 5 7 0 m m ；刀库容量1 0 把。 m i k r o nu p c 7 1 0 五轴加工中心：转速1 0 0 - 1 8 0 0 0 r p m ；功率1 2 1 6 k w ；进给 速度0 - 2 0 0 0 0m m m i n ；行程( x y z ) 7 1 0 5 5 0 5 0 0 m m 一3 0 。+ 1 2 0 。3 6 0 。；刀 库容量3 0 把。 ( 2 ) 体视显微镜和显微摄像系统 铣削时刀具的磨损主要发生在后刀面，本文利用n i k o n 显微镜来测量刀具的 后刀面磨损，并且可以观擦刀尖、前后刀面的磨损状况。该显微镜还配有相应的 数码相机，可以将试验中所发现的刀具磨损情况进行现场拍照，给刀具磨损的研 究提供必要的实物佐证。该显微镜放大数可以无机调整到4 0 倍，数码相机的像素 4 5 0 万，三原色操作系统，低噪点c c d 光感器。 ( 3 ) 测力系统 切削力的测量使用了k i s t l e r9 2 6 5 b 三向压电式测力仪、k i s t l e r5 0 1 9 a 电 荷放大器以及相应的数据采集与处理系统测量切削力。测力仪的基本技术参数： 灵敏度0 0 5 n ；量程1 5 k n ( x 、y 、z ) ；刚度1l am k n ；测力系统坐标系定义： 进给方向为x 、刀齿切入方向为y ，刀具轴向为z 测出的力信号经电荷放大器放 大后，再经过数据采集卡后可直接将信号传送到计算机。再k i s t l e r 侧力仪的配套 软件d y n o w a r e 可对测得的力信号进行分析和处理。 ( 4 ) 磨损测量系统 该磨损测量系统由专门开发的磨损测量软件系统实现，测量时，选择后刀面 第7 页 国防科学技术大学研究生院丁学硕+ 学位论文 磨损较为均匀的区域，测量三次后取平均值。 综合以上四个部分，可以给出试验中加工和测量系统的原理图。 图2 1 加丁和测最系统的原理图 通过原理图，可以看出在三种加工设备上应用不同的铣刀类型，进行铣削速 度，每齿进给量、径向切深，轴向切深等参数的设定，实现对工件的加工。在加 工过程中，显微镜和显微摄像系统监视刀具的磨损情况并进行拍照对比。s t l e r 9 2 6 5 b 动态测力仪、k i s t l e r5 0 1 9 a 电荷放大器以及相应的数据采集与处理系统，