铸造镍基高温合金K418切削性能试验研究 (1).pdf

南京理工大学 硕士学位论文 铸造镍基高温合金K418切削性能试验研究 姓名 刘高群 申请学位级别 硕士 专业 机械工程 指导教师 李迎 沈荣根 20060618 工程硬士学位论文铸造镍革高温合台K 4 I 切削件能试验研究 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本 学位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发表和 公布过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明 研究生签名 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子文档和纸质文档 可以借 阅或上网公布学位论文的全部或部分内容 可以向有关部门或机构送交 并授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容 对手保 密论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 乒 年 月嚼日 广 l 工程硕士学位论文铸造镶摹高温合金1 4 1 8 切削性能试验研究 摘要 随着高温合金材料的飞速发展 对高温合金材料的加工提出更新 更高的要 求 本文论述了高温合金的应用背景 对高温合金的分类 特点及切削性能进行了 归纳和总结 针对铸造镍基高温合金K 4 1 8 通过正交试验设计法 找出了影响K 4 1 8 切削性能的主要因素 刀具材料和V c 等 并进一步分析找出最佳的V c f 及oP 组 合 论文还比较了试验前后我厂采用不同加工方法加工出产品的质量 最后 从经 济角度出发 分析了试验所得出方案的价值所在 研究表明 瑞士S T E L L R A U 公司 的c N G G 刀片适合加工1 4 1 8 这一研究成果 一方面解决了我厂正面临的难题 另 一方面也为我厂以后类似产品的加工积累了宝贵的第一手资料 关键词 高温合金切削性能 正交试验法价值分析 2 丁程硕十学位论文铸造镍摹高温合金K 4 1 8 切削性能试验研究 A B S T R A C T W i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h t e m p e r a t u r ea l l e ym a t e r i a l s t h e t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r ec a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fe n t e r p r i s e s T h e a p p l i c a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r ea l l e yi ss u m m a r i z e di nt h i st h e s i s T h e c l a s s i f i c a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt u r n i n ga r ed i s c u s s e d A c c o r d i n g t oC a s t i n gN i c k e d b a s e dh i g h t e m p e r a t u r ea l l e yK 4 1 8 w i t ho r t h o g o n a l e x p e r i m e n t t h em a i nf a c t o ro ft u r n i n gi so b t a i n e d t o o lm a t e r i a l sa n dv c W i t ha n a l y z i n g t h eb e s tc o m b i n a t i o no fV c fa n doPi so b t a i n e d T h e d i f f e r e n tm a n u f a c t u r em e t h o da r ec o m p a r e di no u re n t e r p r i s e F i n a l l y t h e e c o n o m i c so fn e wm e t h o di sa n a l y z e d T h er e s e a r c hf i n d s c u t t i n gt o o l sC N G G m a d ei nS T E L L R A MC o L t d o fs w i s sa r ef i tt oc u t1 4 1 8 I ts o l v e st h ef a c i n g d i f f i c u l tp r o b l e mi no u re n t e r p r i s e A tt h eS S l l l et i m e i ts u m m a r i z e dt h e f i r s th a n dd a t u mf o rm a n u f a c t u r i n gt h es s ep r o d u c t K e y w o r d s H i g h t e m p e r a t u r ea l l e yT u r i n gc h a r a c t e r i s t i c O r t h o g o n a le x p e r i m e n t W o r t ha n a l y s i s 3 绪论工程硕士学位论文 l 绪论 1 1 引言 我厂隶属于中国航空工业第一集团公司 从事航空机载设备的研制生产 许多 军机都装有我厂生产的零件 在众多型号产品中有起动机系列 该型起动机装备某歼 击轰炸机 由于起动机工作环境恶劣 温度高达1 0 0 0 2 因此 起动机材料需能耐 高温 且具有高温稳定性 否则 起动机不能正常工作将直接影响到飞机和人身安全 该型起动机于2 0 世纪7 0 年代从英国引进 其动力涡轮 燃气涡轮 动力涡轮导向器 燃气涡轮导向器等核心零件 如图1 1 1 2 1 3 都采用铸造镍基高温合金 引进 之后 由于加工能力的不足 一直没有投产 9 0 年代由于各种政治环境因素 为加 强国防武装力量 国家投入资金进行技术改造 购置新设备 拟进行攻关生产 但是 由于我厂无任何高温合金材料的加工经验 且高温合金材料在该型起动机中占2 5 左 右 因而一直无法形成批量生产 近年来 由于台海局势的紧张 国家对武器装备提 出了更高的要求 该型起动机无法进行批量生产 一方面已制约着企业的发展壮大 另一方面也对国防事业的发展形成阻碍 为能解决此问题 突破 颈瓶 我厂成立 了项目攻关组 随着现代制造加工的发展 将通过一系列试验研究 找到解决问题的 方法 图1 1 动力涡轮 6 工程硕士学位论文铸造镍摹高温合金K 4 1 8 切削性能试验研究 图1 2 动力涡轮导向器图1 3 动力涡轮导向器 1 2 高温合金应用背景伽 四十年代 二十世纪航空工业获得了飞跃发展 为了满足航空燃气涡轮的工作 温度的不断提高和复杂应力的严酷要求 高温合金有了惊人的进展 高温合金抗负荷和高温综合影响的能力是以它的蠕变抗力来衡量的 在这方面 镍铬合金具有突出的特性 英国首先研制成功的第一种尼奠尼克镍铬合金一尼莫尼 克7 5 合金 它是以8 0 N i 2 0 9 6 C r 为基体又添加了0 3 T i 和0 1 c 的合金 以后的 研究表明 钛含量增加进一步地提高了其蠕交性能 从而又研究成功尼莫尼克8 0 合 金 含2 5 T i 后来 又研制出N i m o n i c 8 0 A N i m o n i c 9 0 N i m o n i c l 0 0 等多种性能 优异的高温合金 美国和前苏联也相继研制了多种高温合金 美国航空涡轮喷气发动机制造要比英国稍晚 高温合金的发展也是晚于英国 1 9 4 0 1 9 4 1 年才开始有关方面的研制工作 由于吸收了英国的经验 一开始就研制了 8 1 5 工作的涡轮叶片和6 5 0 下工作的涡轮盘材料 进展较快 到1 9 4 2 年就发展了 四十多种高温合金 如H a s t e l l o y 系合金 I n c o n e l 系合金 U d i m e t 系合金和A s t r o l o y 系合金等 原苏联在二次世界大战后吸收了美国的经验 通过对N i m o n i c 7 5 N i m o n i c 8 0 的 研制而发展成3H 4 3 5 3H 6 0 2 3H 8 6 8 等 以及金属间化合物的棒 盘 材合金 如31 4 4 3 7 B 31 4 6 1 7 31 4 8 2 6 3H 9 2 9 3H 8 6 7 等 其特点是多用钨 铝强化 固溶体 特别是用钨 钼综合强化使用的较多 固溶体板材基本上不用钴 直到3H 9 2 9 3H 7 6 7 等复杂合金化的合金为了稳定Y 相进一步强化固溶体 才同时加入 钨 钼 钴 沉淀硬化元素铝 钛的应用规律与英美差不多 随使用温度的提高 A l T i 含量增加 且不断提高铝 钛比例 直到3H 8 6 7 合金几乎完全用铝 前苏联合金 A 1 T i 含量较英美较低 我国于2 0 世纪5 0 年代开始研制高温合金 到目前为止已有8 0 多个牌号的合金 燃烧室及加力燃烧室用材料有G H 3 0 G H 3 9 G l t l 4 0 G H 3 3 3 G H l 8 G H 2 2 G H 4 4 7 工程硕士学位论文 G H l 2 8 G H l 7 0 G H l 6 3 等 导向叶片采用铸造合会较多 如K 3 2 K 1 4 K 3 8 K 3 K 5 K 1 7 D K 5 D K 3 K 1 9 K 0 0 2 K 2 0 等 涡轮工作叶片大多采用时效沉淀强化型变形合合金及铸造合金 如 H 3 3 G H l 3 0 G H 3 0 2 G H 3 7 G H l 4 3 G H l 4 9 G H l 5 1 G H l l 8 G H 2 2 0 K 1 7 K 1 9 等 涡轮盘材料大多采用铁一镍基沉淀强化合金 7 5 0 以下 如温度更高 就采用 镍基合金或粉末涡轮盘材料 常用涡轮盘材料有G H 3 6 G H l 3 2 G H l 3 6 G H l 3 5 G H 3 3 A G H 9 0 1 G H 7 6 1 G H 6 9 8 等 随着国内外对高温合金材料的研究与应用 高温合金材料趋于成熟 但是由于材 料的特殊性 导致其切削加工困难 这是一个国际公认的世界性难题 1 3 高温合金分类 高温合金又称耐热合金或热强合金 它具有优良的高温强度 热稳定性及抗热疲 劳性能 能够在高温氧化气氛或燃气条件下工作 目前高温合金已广泛应用于各个领 域 特别是航空 宇航 造船等部门 1 3 1 按生产工艺分类 1 变形高温合金 变形高温合金 其特点是高温坦性好 能接受锻造等压力加工 常见的变形高温 合金有G H 3 6 G H l 3 2 G H l 3 5 G H 3 3 A G H 3 7 G H 4 9 G H l 6 9 等 2 铸造高温合金 铸造高温合金 其特点是除含有较多的F e N i 等元素外 还含有较多的w 讹 T i A 1 等强化元素 而且含碳量较高 热强度高 塑性差 常在铸态下使用 常见 的铸造高温合金有K 1 4 K 1 K 1 7 和K 4 4 等 1 3 2 按基体元素和金相组织分类 1 铁基高温合金 铁基高温合金 又称耐热钢 此类合金价格较低 但抗高温氧化性差 如G H 3 6 6 H 1 3 6 G H l 3 2 等 其按不平衡状态下的组织状况可分为珠光体 如G H 3 4 和奥氏体 如G H 3 6 两种 2 铁 镍基高温合金 铁 镍基高温合金 实际上属于铁基合金 由于镍的含量高达3 0 4 5 习惯上 就单独称铁 镍合金 它抗高温氧化性能高于铁基合金 应用极为广泛 如G H l 3 5 G H l 4 0 K 4 K 1 4 等 8 工程硕士学位论文 铸造镍摹高温合金K 4 1 8 切削性能试验研究 3 镍基高温合金 镍基高温合金 以镍为基体 镍含量达4 5 以上 如G H 3 7 G H 4 9 K 1 K 1 7 等 目前它的抗高温氧化性能是最好的 4 钴基高温合金 钴基高温合金 以钻为基体 含钴量达5 8 以上 如K I O 1 4 高温合金特性及切削特点 1 1 4 1 特性 高温合金是一种组元很多 激活能很高的高熔点金属元素含量很大的复杂合金化 材料 高温合金主要要求是具有耐热性 耐热性包括热稳定性和热强性两种性能 热 稳定性是指高温下抗氧化 抗燃气腐蚀的能力 热强性是指合金在高温下抵抗塑性变 形和断裂的能力 高温合金具有以下特性 1 在钢中加入与氧亲和力比铁大的铬 铝 硅等元素 在高温下优先与氧形成 尖晶石型的氧化物 能有效地抑制铁的氧化和发展 提高热稳定性 2 高温合金中的铁 钛 钴 镍 钒 钨 铝 铌等合金元素强化了固溶体 通过合金化使合金沉淀石硬化 强化晶介等 提高了合金的热强性 一般说来 合金 的热强性取新局面于内部原子间的结合力 而标志原子间结合力的物理量有熔点 自 扩散激活能 升华热 再结晶温度 弹性模量等因素 这些物理量的综合指标越高 其热强性越高 3 高温合金中存在大量的碳化物 氮化物 硼化物及金属问化合物 其硬度很 高 起到沉淀硬化作用 特别是合金中的铝 钛与镍形成金属间化合物Y 相N iC A l T i 在时效过程中 Y 相以固溶体脱落沉淀 弥散分布于晶粒间 使合金得到很 大的强化效果 在相当高的温度范围内 随温度升高其强度反而有所上升 4 微量的硼 锆 铈等表面活性元素 会吸附于晶介造成局部合金化 阻碍了 晶介滑动和晶介迁移 也能显著地提高合金的热强性 5 在一定的温度范围内 材料仍保持相当高的硬度和强度 高温合金的耐热性 越高 它的切削加工性越差 有的材料切削非常困难 1 4 2 切削特点 高温合金是各种难切削材料中最难切削的材料 合金中的强化相越多 分散程度 越大 热强性就越好 就越难切削 高温合金的切削过程有以下特点 1 塑性变形较大 不同的高温合金其伸长率相差很大 但大多数都具有一定的 塑性 2 切削力大 高温合金在室温下的强度稍高于中碳钢 但高温强度很高 在6 0 0 9 绪论 工程硕士学位论文 2 9 0 0 C 时 仍接近于或甚至超过中碳钢的室温强度 高温合金本身的硬度并不高 但合金中有大量的纯度高 组织致密的奥氏体固溶体存在 奥氏体组织具有晶格滑移 系数大 塑性变形大的特点 切削时塑性变形区晶格歪扭严重 因而硬度大大提高 使切削力增加 高温合金中原子间结合十分稳定 切削时欲使其原子脱离平衡位置所 需的能量很大 因而变形抗力大大上升 而且冷硬现象严重 所以切削力很大 3 冷硬现象严重 在金属产生塑性变形的同时 存在着强化和软化的现象 由 于高温合金的软化温度高 软化速度低 所以硬化现象严重 4 切削温度高 高温合金在切削中产生较大的塑性变形 同时刀具与工件和切 屑之间产生着强烈摩擦 使切削力增大 因此产生大量的切削热 又因高温合金的导 热系数很低 大部分的切削热集中在狭小的切削区域内 使切削温度升高 最高可达 1 0 0 0 左右 5 刀具易磨损 在高温合金中 含有许多金属碳化物 氮化物 硼化物及金属 间化合物 特别是Y 相构成的硬质点 同时高温合金的高温强度较高 加工硬化严 重 所以在切削过程中 给刀具造成了巨大的摩擦和磨料磨损 在高温高压下 由于 刀具材料与被加工材料间亲和力及粘附力的作用 切屑与刀具间出现熔焊现象 有一 部分刀具材料被切屑带走 造成粘结磨损 在较高的切削温度下 刀具中的某些元素 如钨 钴 钛 铌等 向工件和切屑扩散 使磨损加快 在高温条件下 周围介质 中的碳 氧 氢 氮等非金属元素容易侵入切削界面 使刀具材料生成相间脆性相 加剧了刀具材料组织内应力集中 容易使刀具产生裂纹 甚至使刀具切削部分崩落而 失去切削能力 在车削高温合金时 除了在前 后刀面发生磨损外 还有比较特殊的 磨损形式 就是边界磨损和沟纹磨损 6 精度不易保证 切削高温合金时 切削温度很高 会造成工件热变形 使尺 寸和形状精度发生变化 不易保证 7 Y 相含量的影响 高温合金中金属间化合物Y 相的含量越高越难加工 1 5K 4 1 8 化学成份及切削特点 1 S 1K 4 1 8 化学成份D I K 4 1 8 的成份复杂 其高温合金切削加工性能不同于普通的碳素结构钢 不锈钢 以及钛合金 主要为镍 约 6 0 呦及C r W M o T iA I C 等几种元素 对一些微 量组份 例如S P M n S i 等 进行严格的控制 使其具有良好的高温强度和热稳定 性 常温下拉伸强度s b 6 7 0 M P a 布氏硬度为3 0 0 6 0 0 K 4 1 8 合金含量组成见表 1 1 l O 工程硕士学位论文铸造镍摹高温合金K 4 1 5t n 1 性能试验研究 表1 1K 4 1 8 合金含量成份表 元素 C C r N bM oT iA 1 含量 0 0 8 1 1 5 1 8 2 5 3 8 0 5 5 5 0 1 61 3 54 81 06 4 元素 N iF eM nS iSP 含量 基 1 0 O 5 O 5 O 0 1 0 0 1 5 1 5 2K 4 1 8 切削特点 铸造镍基高温合金是难加工材料中切削加工性极差的一种材料 K 4 1 8 是新研制 的一种铸造镍基高温合金 因而 它具有高温合金的加工特点 归纳起来有以下几点 1 切削力大 K 4 1 8 具有高的硬度和强度 原子密度和结合力大 抗断裂韧性和持久塑性高 在切削过程中切削力大 2 切削温度高 K 4 1 8 不仅具有较高的常温硬度和强度 而且具有高温强度和高温硬度 因此 在切削过程中 消耗的切削变形功率大 加之材料本身的导热系数小 切削区集中了 大量的切削热 形成很高的切削温度 3 加工硬化倾向大 由于K 4 1 8 塑性 韧性高 强化系数高 在切削过程中的切削力和切削热的作用下 产生巨大的塑性变形 造成加工硬化 在切削热的作用下 材料吸收周围介质中的氢 氧 氮等元素的原子 而形成硬脆的表层 给切削带来很大的困难 4 刀具磨损大 切削K 4 1 8 的切削力大 切削温度高 刀具与切屑之间的摩擦加剧 刀具材料与工 件材料产生亲和作用 材料硬质点的存在和严熏的加工硬化现象的产生 使刀具在切 削过程中产生粘结 扩散 磨料 边界和沟纹磨损 而使刀具丧失切削的能力 5 切屑难处理 材料的强度高 塑性和韧性大 切削时的切屑呈带状的缠绕屑 既不安全 又影 响切削过程的顺利进行 而且也不便于处理 6 产品精度难保证 i 4 1 8 切削加工过程中 切削温度很高 在加工中容易热变形 因而一些尺寸和形 状精度发生变化 不易保证 7 加工成本大 在我厂以往的加工过程中 由于没有找到好的刀具材料和最佳的切削参数 用普 工程硕士学位论文 通的高速钢W 1 8 C r 4 V 加工时 基本上都是车一刀磨一次 因而加工一只产品消耗时间 在加工动力涡轮时 一天加工不了一只产品 这样的效率极低 一方面 机床占用时 问长 另外 车刀损耗大 成本高 导致生产任务无法完成 严重影响了我厂国家指 令性计划的按时完成 1 6 本课题研究目的及主要内容 1 6 1 研究目的 我厂许多型号产品均采用K 4 1 8 铸造镍基高温合金 此材料在实际生产过程中加 工性能较差 由于无任何加工此类材料的经验 因而一直无法形成批量生产 制约着 企业按期完成国家指令性计划 同时对企业做大做强形成障碍 此次课题研究 旨在 通过一系列试验研究 摸索出加1 I 4 1 8 的最佳刀具材料 切削参数及切削液等切削 条件 积累经验 以保证产品质量 降低生产成本 提高生产效率 为大批量生产加 工提供条件 因此研究其切削加工性能具有十分重要的意义 本次试验研究以车削加 工为基础 1 6 2 主要内容 l 铸造镍基高温合金车削性能影响因素分析 2 多因素指标的正交试验设计 3 正交试验结果与分析 4 技术经济分析 5 总结与展望 1 1 1 三堡堡 兰堡堡塞 箜堕堡苎壅塑垒全坠 塑 丝堡蔓竺 壅 2 铸造镍基高温合金车削加工的影响因素分析 2 1 存在问题 我厂目前有多种零件材料为高温合金 加工中存在许多问题 刀具材料选择不当 导致刀具损耗大 成本过高 加工产品的尺寸易超差 质量难以保证 切削参数如何 选择 加工者及技术人员心中没数 这样对机床的使用有影响 我厂由于高温合金的 加工这一 瓶颈 导致某重点型号任务交付不能按期完成 对我厂的信誉已造成严 重影响 等等 铸造镍基高温合金车削加工的影响因素条件多样 因而不同条件下车 削性能不同 大致有以下几种 操作人员的素质 机床的刚性及精度 外界的环境 加工的工艺 毛坯质量 现分析如下 2 2 操作人员的素质 由于高温合金特殊的合金结构及车削性能 使得不同的操作者加工出来的产品质 量有所不同 经验丰富的操作者能够适时地观察切削形状 颜色 听切削时的声音 感受主轴负载的百分比 能够有效地保证产品的加工质量 由于高温合金的难加工及 材料昂贵 本次试验由数控车床的高级技师专门加工 排除人为影响因素 2 3 机床的状况 使用系统刚性好 精度高的机床 可以使得零件获得较好的几何形状 而具有充 分冷却系统的机床 对切削刀具 零件的冷却能起到很好的作用 机床主轴的振动与 否 则会直接影响系统的振动 从而影响加工表面的质量 本次试验为排除机床的影 响因素 选用了美国哈挺公司的车削中心T 5 1 此机床采用大功率内置式电主轴结构 主轴功率达1 5 1 0 f 能够进行充分的冷却 是目前世界先进的车削中心 排除了机床 对本次试验造成的影响 2 4 外界的环境 外界的环境也会对本次试验产生不同程度的影响 如是否有外界的振动源 环 境温度是多少 由于我厂新搬迁到江宁开发区 厂房条件比较好 采用中央空调保证 环境温度 另外 该厂房采用整体地基 且周围都是数控设备 用来精加工 无外来 振动源 因而 使得本试验几乎排除外界因素的干扰 2 5 毛坯质量 由于高温合金的特殊性能 合金元素较多 导致其铸件性能也不好 常有晶粒粗 大等铸造缺陷 因而会导致一些非正常的刀具磨损 给试验带来一些影响 当刀具切 削到材料中的铸造缺陷时 由于切削力大 会形成应力集中 使产品产生裂纹 高温 合金中含有比重较大的N i 元素 由于加工时刀具是在高温高压条件下工作的 形成 刀具磨损的原因非常复杂 涉及到机械 物理 化学和金相等作用 主要原因是 l 磨粒磨损 镍摹高温台金车削加工的影响因素分析工程硕士学位论文 在切削过程中 刀具上经常被一些硬质点刻划出深浅不一的沟痕 构成这些 磨 粒 硬质点的来源 是切削底层和表面材料中含有氧化物 S i O A 1 2 0 3 等 碳化物 n c 和氮化物 S i 2 N 4 一d N 等硬的元素 此外 还有还有粘附的积屑瘤碎片和锻造 表皮和铸造表面的夹砂 2 粘结磨损 切屑与前刀面 加工面与后刀面之间在正压力和温度作用下 接触面间的吸附膜 被挤破 形成了新鲜表面接触 当接触面间达到原予间距离时 就产生粘结 粘结磨 损的程度与压力 温度和材料问亲和程度有关 例如 在低速切削时 由于切削温度 低 故粘结是在正压力作用下接触点处产生塑性变形所致 亦称冷焊 在中速时由于 切削温度较高 促使材料软化和分子间的热运动 更易造成粘结 所以 低中速切削 时 粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因 3 扩散磨损 切削时由于在高温作用下 接触面间的分子活动能量大 早晨了合金元素相互扩 散置换 使刀具材料机械能降低 若再经摩擦作用 刀具容易被磨损 扩散磨损是一 种化学性质的磨损 4 相变磨损 当刀具上最高温度超过材料相变温度时 刀具表面金相组织发生变化 如马式体 组织转变的奥式体 使硬度下降 磨损加剧 5 氧化磨损 这是一种化学磨损 在主 副切削刃与切削层金属表面接触处 硬质合金中W c C o 与空气介质中0 化合成脆性 低强度的氧化膜W 0 2 该膜受到了工作表层中氧化皮 硬化层等摩擦和冲击作用 形成了边界磨损 综上所述 刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面作用造成的 在不同加工条件 下形成的刀具磨损必有一个原因起主要作用 同时也存在着各种原因的综合作用 在 低 中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因 通常拉削 铰孔和攻丝 加工时的刀具磨损主要属于这类磨损 在中等以上切削速度加工时 热效应使高速钢 刀具产生相变磨损 使硬质合金刀具产生粘结 扩散和氧化磨损 6 刀具非正常磨损原因 使用硬质合金刀具或硬度高 抗弯强度较低的刀具在铣削 刨削 重型切削 对 难加工材料切削和在带冲击载荷工作中 破损已成为较常见的磨损形式 破损主要由 于机械冲击力作用或受热后内应力作用造成的 此外 也可能在积屑瘤脱落时引起大 面积剥落所致 造成非正常磨损还可能是刀具材料硬度低 韧性差 刀具几何参数和 切削用量选择不合理导致切削力过大 切削温度过高 在焊接或刃磨时因骤冷骤热而 产生内应力和裂纹 操作 保管不当等 为排除此因素 试验采用的试件经过冶金检 1 4 丁程硕士学位论文铸造镍摹高温合金K 4 1 8 切削性能试验研究 查 均符合标准 2 6 加工工艺的影响 加工时各种状态下的切削条件 会导致不同的试验结果 其中包括采用何种刀具 材料 采用何切削液 刀具的切削参数如何等等 因而 本试验从加工工艺分析是重 点 2 6 1 刀具材料 由于高温合金在切削时的切削力大 切削温度高 冷硬现象严重 因此应选用硬 度高 耐磨性好 又有足够的强度和韧性的刀具材料 常用加工高温合金的刀具材料 有高速钢 硬质合金和立方氮化硼 1 高速钢 它主要用于制造铣刀 钻头 绞刀 丝锥 拉刀和齿轮刀具等多刃复杂刀具 2 硬质合金 切削高温合金的硬质合金应具备有较高的抗粘结和抗扩散能力 应选用钨钴类和 含有难熔金属化合物的硬质合金 钨钴钛类硬质合金 不宜选用 3 立方氮化硼 它适于精加工高温合金 能选用较高的切削速度和较高的刀具耐用度 4 氮化硅陶瓷 由于这种陶瓷抗粘结性能和耐热性能及硬度高于硬质合金 非常有利于对高温合 金的切削加工 2 6 2 切削液 合理选用切削液 可以有效地减小切削过程中的摩擦 改善散热条件 降低切削 力 切削温度和刀具磨损 提高刀具耐用度和切削效率 保证加工表面质量和降低产 品加工成本 随着高温合金材料的逐步应用 给切削加工带来了难题 为了使这难题 得到解决 除合理选择刀具材料 切削用量等切削条件外 合理选用切削液也尤为重 要 2 6 2 1 冷却润滑液的种类 l 以冷却为主的冷却润滑液 水溶液 它的主要成分是水 冷却性能最好 但是不能直接使用天然水 否则金属容易生 锈 而且润滑性能太差 因此 必须在天然水中加入适量的添加剂 使其既有良好的 防锈性能 又有一定润滑性能的水溶液 一般在水中加入0 2 0 2 5 的珏硝酸钠和 0 2 5 O 5 的无水碳酸钠 配裂成防水溶液 配制时要注意水质情况 若是硬水必 须进行软化处理后方能使用 离子冷却液是水溶液中的一种新型切削液 其母液是 由阴离子表面活性剂 石油硫酸钠等 非离子表面活性剂 聚氧乙烯脂肪醇醚 和 1 5 1 7 镰摹高温合套车削加工的影响因素分析 工程硕士学位论文 无机盐配制而成 这些物质在水溶液垦能分解成各种强度离子 在切削或磨削中 由 于强烈摩擦所产生的电荷 可通过这种冷却液的离子反映迅速消除 因而刀具和工件 不产生高热 刀具耐用度可提高一倍以上 2 以润滑为主的冷却润滑液一切削液 它的主要成分是矿物油 少数情况采用动植物油或复合油 纯矿物油不能在摩擦 界面形成坚固的润滑膜 润滑效果差 生产实际中常在矿物油基加入油性 极压添加 剂和防锈剂等 以提高其润滑和防锈性能 润滑性能的好坏与添加剂的性能密切相关 可以说 切削液的研制与发展 是各种添加剂和乳化剂的研制与发展的结果 按润 滑性能的强弱 切削油又分为 1 矿物油 它是天然原油中提炼而成 目前常用的有5 7 1 0 2 i f 3 0 机油和轻柴油 煤油等 机油的号数是指它在5 0 时的粘度号数越大粘度越大 矿物油是切削油中 润滑效果最差的油 2 动植物油 植物油有豆油 菜子油 棉子油和蓖麻油等 而动物油主要是猪油 牛油等 它 们有良好的油性 适用于低速精加工 但它们是食用油 且易变质 因此最好少用或 不用 一般用含硫 氯等极压添加剂的矿物油代替 其中动物油的润滑性在切削油中 最好 3 极压切削油 它是以矿物油为基础 加入 油性 极压添加剂或防锈剂等配制而成 在高温高 压下仍具有良好的润滑性 并且比动植物油有更好的稳定性和极压性能 3 乳化液 兼顾冷却与润滑的切削液 它是将矿物油 防锈剂 防霉剂 稳定剂和抗泡沫剂等 与9 5 9 8 的水稀释而 成的乳白色或半透明状的乳化液 它具有良好的冷却作用 因为用水稀释的倍数大 所以润滑防锈的性能差 为了提高其润滑与防锈性能 再加入一定量的油性 极压添 加剂和防锈剂等 配制成极压乳化液或防锈乳化液 它具有冷却与润滑两种性能 2 6 3 切削参数 1 切削速度v c 进给量f 和切削深度a p 总称为切削用量三要素 2 6 3 1 切削深度a p 它是指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离 单位为咖 车外圆时 a p d 一d 2 对于钻削 a p d w 2 2 1 式中d 为待加工表面直径 哪 1 6 丁程磁士学位论文铸造罐摹高韫台毒x 4 f s 切削件艨试验研究 曲 一为已施工表面直径 雅 2 6 3 2 进给量f i 它是指工件或刀具每一转或每一往复运动的行程内 刀具绒工件沿进给运动方向 的相对位移 单位是m r 进给量述可以用每齿进给量f z 和避给速度v f 表示 每 齿迸给鬃f z 蔬是刀箍与工字 橱 在转过一个菇鲻凭内 滔遴缭方彝鳃餐移 单擅 为m m z 对于多刃刀其 为衡量每刀齿的切削负荷 尚需计算每齿进给董 v f f 和 f z 之间的关系式如下 v f f X n f z x z 2 2 式中n 一工件或刀具每分钟转数 r r a i n 卜刀具齿数 进绘速度v f 是拯攀位封闻豹遴缭量 魏每势钟露其与工秘阉浍送给迸动方向的 相对位移 单位是m m i n 或m s 2 6 3 3 切削速度V c 它怒指切粼刃上瓣选定点 嚣蠼上采震切削刃工作部分切荆速度最赢的点 柜对 于工件生运动的瞬时建度 单位为m 证i n 当主运动为圄转运动时 v c d n 1 0 0 0 2 3 式中d 工件或刀具选定点的点经 m 兰主运动为往复壹线鬈动酵 V c n r 1 L 1 0 0 0 2 4 式中n r I 件或刀具每分钟往复行程次数 l r 一为嚣霉妖瘫 单位m M 为工作行程平均速度与空行程乎蝣速度之比 1 7 多因素指标的正交试验设计工程硕士学位论文 3 多因素指标的正交试验设计 3 1 实验设计法哪m 嘲 3 1 1 实验设计法的定义 实验设计法是通过一系列实验进行规划的方法 其目的是利用统计方法为一种或 多种产品或工艺参数确定最佳环境 实验设计使工艺质量有所突破 它帮助开发者搞 清楚材料或某工艺参数的变化对产品或工艺质量产生什么影响 实验设计的程序 1 提出问题和指标 2 搜集必要的数据 3 利用集体讨论法来确定影响要素及其相互关系 4 挑选影响要素和其它接受测定的要素 5 制定和详细说明实验计划 6 进行实验 7 评估和分析数据 8 解释实验结果 提出关于产品与工艺改进措施 3 1 2 实验设计法的目的 l 从多个变量中找出对输出影响最大的因素 也就是显著因素 2 寻求最能使输出符合目标值的因素组合 3 调整可控制因素让输出值得波动最小 4 寻找可控制因素之值 使非控制因素对输出的影响极小化 在不可控制因素的存在下 如使用环境的温 湿度 材料的老化 寻找使过程具 有低质量波动的设定参数组合 其原理主要是通过可控制因素与不可控制因素之间存 在的交互作用来降低质量波动 坠o j 图3 I 输入输出系统图 工程硕士学位论文铸造镍摹高温合金i 4 1 8 切削性能试验研究 3 1 3 常见的实验设计法 3 1 3 1 田口设计法 最著名的实验设计方法是以日本质量问题权威田口玄一命名的 田口法 T a q u c h iT e c h n i q u e 田口法是把选定参数或要素为目标 使产品质量性能 如强 度 尽可能不受工艺参数 如温度 变化的影响 从而保证质量稳定 田口法的第一 步为界定产品概念的最初具体结构 如材料和组件的选择等 第二步为 参数设计 第三步是进行 公差设计 这样设计达到最优化 田口定义了它所称的 质量损失函数 该函数是一条二次曲线 从曲线上可以看出 产品质量随着偏离顾客需要程度越远 其质量损失越大 这一点使开发者从一个全新 作 产品及工艺设计 不能只盯着公差度 而先要尽量满足顾客的需要 田口玄一 6 e n i c h iT a g u c h i 博士被公认是稳健参数设计 r o b u s tp a r a m e t e r d e s i g n 的先驱者 所以就以他的名字来命名 田口设计 稳健设计时产品或过程 降低波动或对噪声敏感度的工程方法 如果使用得当 田口设计可以提高产品在各种 使用条件下都可以达到一致与最佳结果的有效设计方法 田口设计的主要目的是找到降低波动的因素设定 一旦确定影响波动的因素之 后 可以试着找出可控制因素的设定来降低过程波动以减低产品对不可控制 或称为 噪声 因素的敏感性 再将过程的平均值或产品的质量特性调整到我们要得目标值 以此为设计目标的过程 将使产出的产品更具一致性 且不管使用环境的不同 以此 为目标的产品都可以达到一致的功能 工程上的专业知识决定着对因素与响应变量的选择 动态稳健设计特别适用于具 有能量传输的过程 例如 汽车方向盘就是设计将方向盘上的能量传导到汽车的轮子 上 还必须调整控制因素与响应变量 使得交互作用不要发生 当控制因素之间的交 互作用可能存在 或是你对此情况不甚了解时 必须选用一个可以估计这些交互作用 的设计 3 1 3 2 响应曲面设计 在实际工作中 常常要研究响应变量Y 究竟如何依赖于自变量 进而找到自变量 的设置使得响应变量得到最大值 望大 望小或望日 如果自变量的个数较小 通 常不超过3 个 则响应曲面法是最好的方法之一 本方法特别适于响应变量望大或 望小的情形 而参数稳健设计方法将更适于响应变量望目的情形 通常的做法是 先用二水平的因子试验的数据 拟合一个线性的回归方程 可以 含交叉乘积项 如果发现有弯曲的趋势 希望拟合一个含二次项的回归方程 其一 般的模型是这样的 以两个自变量为例 Y b o b l x l b 2 X 2 b t I X 2 b x 2 b 1 2 l x 2 3 1 多因素指标的正交试验设计 工程硕七学位论文 选项比过去增加了各自变量的平方项 这样一来 原来的一些设计点数据就不够用了 要在增补一些试验点 这种先后分几阶段完成全部试验的策略就是 序惯试验 的策 略 3 1 3 3 混料设计 在实际工作中 常常需要研究一些配方配比试验问题 这种问题常出现在橡胶 化工 制药 冶金等课题中 例如不锈钢是由铁 镍 铜和铬4 种元素组成 闪光剂 由镁 硝酸钠 硝酸锶及固定剂组成 复合燃料 复合塑料 混纺纤维 混凝土 黏 结剂 药品 饲料的公众成分称为混料成分或分量 也就是混料试验中的因子 这里 我们关心的是各种分量的比例而不是其绝对值 而且显然所有分量之和总是为1 这 里对分量的约束条件将使本节内容与以前所讨论的试验设计类型有所差别 对于这种 分量之和总是为1 的试验设计 我们称为混料设计 m i x t u r ed e s i g n 为了直观显 示各分量的组成情况 引入 三线坐标系 见图3 2 其原理是这样的 平面几何的 关系告诉我们 等边三角形内的任何一点 到三边的 垂线 距离的和等于该三角形 的高 如果把三角形的高设为l 则任何一点就可以由其到三个边的三个距离给出三 个坐标 当然 这三个坐标并不独立 三者之和恒为l A O o o B 0 1 o C o 0 D 图3 2 三线坐标系 3 1 3 4 正交试验法 正交试验法就是应用正交表来安排实验的方法 在实际中 经常会遇到多因素 有误差 周期长的一类试验 希望通过试验解决以下几个问题 1 对指标的影响 哪些因素重要 哪些因素不重要 工程硕士学位论文 铸造镍摹高温合金K 4 1 8 切削性能试验研究 2 每个因素取哪个水平为好 3 各个因素依什么样的水平搭配起来对指标较好 这是多因素试验中比较典型的几个问题 正交试验设计是处理这类试验问题的一种简 单易行 行之有效的方法 3 2 试验条件 采用的试验设备及试验条件见表3 1 表3 1 试验设备及试验条件 机床设备T 5 1 数控车削中心 工件K 4 1 8 动力涡轮导向器 最大外圆及长度尺寸为0 1 5 0 X 6 0 刀杆刀杆2 5 X 2 5 r a m 国产硬质合金Y 3 3 0 瑞士S T E L L R A M 公司的C N G G l 2 0 4 0 2 F 3 F 刀片 刀片S A N D V I K 公司的C C M T l 2 0 4 0 4 刀片 测试仪器三坐标 万能工具显微镜 试验设备及刀具如图3 3 3 1 0 所示 图3 3T 5 1 数控车削中心 图3 4三坐标测量仪 本此试验所用加工设备见图3 3 试验过程中测量产品同轴度的设备见图3 4 多因素指标的正交试验设计T 程硕上学位论文 图3 5 万能工具显微镜图3 6Y 3 3 0 刀杆 试验过程中 测量刀具后刀面磨损量的设备见图3 5 试验过程所用的车削刀具 见图3 1 0 图3 7 C N G G 刀杆图3 8C C M T 刀杆 图3 9C N G G l 2 0 4 0 2 刀片 3 3 试验方案设计 高温合金车削加工的影响因素很多 本次试验在排除人为因素 机床精度及外界 环境的影响 刀具的前角和后角对加工的影响分析如下 工程硕士学位论文铸造镍摹高温合金K 4 1 8 切削性能试验研究 1 前角与刀具切削时间的关系 通过实验 刀具的前角Y 从4 开始 每间隔一度递增到Y1 3 后角a 为1 2 切削深度a p 为1 姗 进给量f 为0 1 m m r 切削速度V c 为2 0 r e r a i n 当后刀面磨损 量到0 4 m m 时 记录实际的切削时间T 血i n 见表3 2 表3 2 前角Y 与刀具切削时间T m i n 的关系 i 角后角刀尖圆切削深进给量切削速度 材料T m i n Y a 角R 度a p fV c K 4 1 84 1 2 0 4l O 1 2 0 1 8 9 8 K 4 1 85 1 2 0 O 4lO 12 01 8 8 4 K 4 1 8 6 1 2 0 4 lO 12 01 8 3 7 K 4 1 871 2 0 410 12 0 1 6 9 3 K 4 1 881 2 0 4l0 12 01 5 7 2 K 4 1 891 2 0 41O 12 01 4 1 6 K 4 1 81 01 2 0 41O 12 01 2 9 7 K 4 1 81 11 2 0 4l0 12 01 2 4 5 K 4 1 81 21 2 0O 4lO 12 01 1 8 0 K 4 1 8 1 31 2 O 4l0 12 01 1 6 0 由上表得出前角Y 与实际的切削时间T m i n 的曲线图见图3 1 1 图3 1 l 前角1 r 与刀具切削时间T m i n 的曲线图 从曲线图可知刀具的前角Y 对刀具的实际加工中的切削时间T m i n 影响不大 仅随着前角Y 的增大而有所减小 但是在实际加工过程中 刀具前角Y 较大时 会 削弱刀头的强度 刀具前角Y 较小时 会使加工时产生的切屑卷曲半径过大 不利 于刀具排屑 因此前角Y 取1 0 较为为合适 2 后角与刀具切削时间的关系 通过实验 刀具的后角a 从8 开始 每间隔一度变化至d 1 5 前角Y 为l O 切削深度a p 为l 咖 进给量f 为0 1 m r 切削速度V c 为2 0 r e r a i n 当后刀面磨损 多因素指标的正交试验设计工程硕士学位论文 量到0 4 n n n 时 记录实际的切削时间T m i n 见表3 3 前角后角刀尖圆切削深进给量切削速度 材料T m i n Y d 角R度a p fV c K 4 1 81 0 80 4lO 12 02 0 5 8 K 4 1 81 0 90 41O 12 02 0 4 8 K 4 1 8l O 1 00 4lO 12 02 0 4 3 K 4 1 81 0 1 10 41O 12 02 0 3 7 K 4 1 8l O 1 20 4lO 12 02 0 3 3 K 4 1 81 0 1 30 41O 12 02 0 1 9 K 4 1 81 0 1 40 41 O 12 02 0 1 l K 4 1 81 0 1 5O 4lO 12 02 0 O O 由上表得出刀具后角a 与实际的切削时间T m i n 的曲线图见图3 1 2 图3 1 2 刀具后角a 与刀具切削时间T m i n 的曲线图 因实际的切削时间T m i n 的记录值变化很小 可知刀具后角 对刀具的实际加 工中的切削时间T m i n 影响很小 通过分析发现 刀具的前角与后角对K 4 1 8 材料的加工影响不是太明显 因而 选择的因素分别为刀具材料 切削液 切削参数aP f 及V c 五因素 按经验 V c 取值一般为2 0 4 0 m m i n f 取值一般为0 1 0 3 哪 r oP 一般取0 5 2 5 n n n 上 下水平的值分别为高低值 中间水平 零水平 按下式决定 V 萨 V 亿 2 4 0 2 0 2 3 0 m m i n f o f f 1 2 O 3 0 1 2 O 2 m m r a 矿 a p a p J 2 2 5 0 5 2 1 5 m m 刀具材料 国产硬质合金Y 3 3 0 瑞士S T E L L R 脯公司的c N G G l 2 0 4 0 2 F 3 F 刀片 t 程硕士学位论文铸造镍基高温合金K 4 1 8 切削性能试验研究 S A N D V I K 公司的c c 舸1 2 0 4 0 4 刀片 切削液按实际生产中使用的方式 分别为乳化液 油冷 干切削 构造五因素三水平表3 4 如下 表3 4 五因素三水平表 水平及符号刀具材料 V c m r a i n f r a m r QP n u n 切削液 下水平 1 Y 3 3 0 2 0O 1O 5乳化液 零水平0C N G G3 0O 21 5 油冷 上水平 1C C M T4 0O 32 5 干切削 3 4 正交试验 选用表3 4 进行表头设计 通过表3 5 进行正交试验 每次试验观察刀片后刀面 磨损量V B 0 4 m m 找出实际的切削时闯T m i n 即刀具耐用度 表3 5 由正交试验测出的刀具耐用度 正交实验表头设计L27 3 l 234 5 T M I N 1Y 3 3 02 0O 10 5乳化液 2 6