镍基高温合金细长轴的加工优化

镍基高温合金细长轴的加工优化

新乡航空工业（集团）有限公司 453000

摘要

镍基高温合金属于难加工材料，主要表现在磨削、切削时温度高，加工硬化严重，砂轮、刀具容易磨损，工件表面质量和加工精度难以保证。同时由于细长轴长径比大，刚性差，易产生变形与振动，导致加工难于达到较高精度等级。文章对高温合金的分类、磨削和切削加工难点进行了介绍，针对细长轴加工提出了一些技术措施，以保证细长轴的加工精度。

关键词

镍基高温合金 细长轴 磨削 铣削

一、引言

我车间加工的INCONEL 718 镍基高温合金轴，其长径比超过30以上，属于典型的细长轴，外圆精度及侧面销子孔位置度精度高，加工难度大，我车间首次交付的三种轴，只有一种轴全尺寸检验通过，交付合格率低。因此，对其加工过程进行了分析优化。

二、镍基高温合金细长轴的磨削过程优化

2.1 砂轮磨削参数的优化

（1）合理选用砂轮。为了获得比较好的质量及磨削效磨削高温合金时，要求磨料具有很高的硬度和韧性，破碎后易出现尖锐的棱角，以利切削工作。单晶刚玉是较理想的磨料，因它在制造过程中没有经过锤击，磨粒内部无伤痕及残余应力，强度高、耐用度高，磨削时发热少。

（2）硬度的选择。选用砂轮硬度的一大原则是：工件材料愈硬，应选用愈软的砂轮。因此磨削高温合金的砂轮硬度应比磨削碳钢的稍低些，使砂轮有较好的自锐性,本次磨削细长轴时采用硬度为J的砂轮。

（3）粒度的选择。精磨时，应选用磨粒粒度号较大（颗粒直径较小）的砂轮，以减小加工表面的粗糙度值。对磨削高温合金而言，精磨采用70＃ 粒度砂轮。

（4）结合剂的选择。由于高温合金的性能和磨削特点，要求砂轮具有较好的强度，在磨削过程中能承受较大的冲击载荷，一般选用耐热性和抗腐蚀性较高的陶瓷结合剂。

（5）组织的选择。高温合金的粘附性很强，被磨削下来的屑末极易粘附在砂轮表面上，要求砂轮提供较宽余的容屑空间，选择组织疏松的8号组织。可避免砂轮过早塞实而引起切削抗力增加, 还可减小砂轮和工件接触面积, 使工件得到充分冷却。

综上所述，砂轮型号选择为SA-70 J8V。

2.2 砂轮磨削参数的优化

磨削公式:F P = C f Z^´0.7 BK，

式中：Z^´-单位砂轮宽度金属切除量，B-砂轮宽度

根据上述公式，降低磨削力的措施为降低砂轮宽度和工件的轴向进给速度和径向磨削深度。

（1）砂轮结构的优化。砂轮磨削面修整形状为“凹”字型或台阶型，这样形状的砂轮在磨削时能保证排削的顺畅并减少接触面积，从而减少磨削时产生的磨削热，防止工件表面发生灼伤和因温度太高产生形。为了减小磨削径向力, 可将砂轮左角修出一个小斜面,使磨削力分解成一部分轴向分力指向头架顶尖处, 这样就改善了工件的受力状态。

（2）磨削参数的优化。采用单晶刚玉砂轮纵向外圆磨削时，随着砂轮速度V S的增大，会使单颗磨粒未变形磨削厚度减小，但速度提高，砂轮粘附磨损较突出，即粘附磨损百分率增大，这会造成磨削力增大，磨削表面粗糙度增大，因此V S选择为40～50m/s。为降低磨削力，径向进给量 选择为0.005～0.02mm，进给速度 选择为0.005～0.02mm，工件线速度V w选择为6～10m/min，从而减少了细长轴因旋转而在离心力的作用下产生的“跳绳”现象。

（3）磨削时应采用双拨杆带动工件旋转,使拨动力得到平衡,以提高加工精度。磨削时不宜用单拨杆来带动工件旋转,因为单拨杆在传动中会使工件受力不均。拨杆在A点拨动力迫使工件压向砂轮, 由于切削力的作用,可以抵消一部分拨动力,当工件转过180度(B点)时,拨动力迫使工件离开砂轮,这时切削力与拨动力迭加B点拨动力迫使工件离开砂轮,这时切削力与拨杆的作用,工件受力发生周期性变化,容易产生振动和工件的轴线位置发生变化,影响了工件和加工精度。为了改善工件的受力状态,应采用双拨杆带动工件旋转,使拨动力得到平衡,以提高加工精度。

（4）使用中心架。中心架的支承作用可以抵消磨削时产生的使工件变形的径向力和切向力，从而保证工件的加工质量。应在加工余量只有0.02～0.03mm时，对工件质量状况全面分析，对中心架支撑块进行微调后再继续磨至尺寸。让百分表针沿直径方向顶到工件且预压1mm左右,调整对面的支撑块，当工件与支撑块接触后，百分表马上有反应；也可以在工件圆周上涂红丹粉，让工件转动，当红丹粉被擦去即说明支撑块已经接触到工件。这样就可以控制支撑块的位置从而使中心架起到很好的支承作用。

（5）保持砂轮的锋利性。磨削过程中应注意保持砂轮的锋利性，以减少径向分力。并且，需要停止砂轮时，应先关掉冷却液后再停止砂轮，使积存在砂轮内部的冷却液甩出，避免砂轮因积水而造成不平衡从而导致工件表面出现直波纹。

（6）减少工件装夹时间。应尽量减少工件装夹在两顶尖上的时间，从而减少工件因自重产生的弯曲变形，完成磨削后，应竖直放置。

三、镍基高温合金细长轴的切削过程优化

3.1镍基高温合金的切削加工特征

镍基高温合金切削加工时塑性变形大。高合金化的高温合金，沉淀硬化呈弥散分布，且其原子间的结合十分稳定，所以抵抗塑性变形的能力强。高温合金的热导率很低，约为45钢的1/3～1/5。在相当高的温度范围内，随温度升高其硬度反而有所上升，在一定的温度范围内材料仍能保持相当高的强度和硬度。镍基高温合金切削具有如下典型特征：

（1）相对普通金属,加工高温合金切削力很大,甚至造成崩刃。

（2）导热性差。其导热系数比较小，所以在加工高温合金时会产生大量的热量，刀具磨损严重，工件加工质量差。

（3）高温合金强化元素含量高，更易磨损。高温镍基合金对多种元素都有很好的亲和力，因而在被加工时，更容易发生粘附，导致磨损严重。

（4）加工硬化严重。相对于普通金属，其需要更高的软化温度，软化速度更慢，切削温度较高时，材料表面硬度会因析出来的强化相增加。已加工表面硬化程度可达基体硬度的200%～500%。

（5）在加工过程中，形成了切屑不易断裂，造成刀具排屑困难。3.2镍基高温合金的切削加工优化

细长轴需要在侧面加工销子孔，因为3个销子孔在轴上不同角度，且有位置度要求，为了保证加工精度，需要一次装夹加工，因此轴需要装夹在回转台上，装夹方式采用一夹一顶，夹持部位能够回转。在实际加工中，在轴向切削力作用下加工部位容易产生弹性挠曲，加工结束后零件回复，孔口直径容易在轴向上变大，形成椭圆孔，降低加工精度。同时在圆弧面上钻孔容易偏外，导致加工的孔对称度精度不高，首次加工零件全部超差报废。

针对以上问题，采取了如下优化措施：

（1）提高钻孔定位精度。先用立铣刀在圆弧面上铣一个平面，用中心钻钻出一个较大的锥坑，再进行钻孔，保证定心精度。

（2）使用V型支撑增强零件刚性。在孔加工部位增加V型支撑，增强零件刚性，减少零件弹性变形。

（3）刀具的优化。刀具材料选用抗粘结、抗扩散、与高温合金亲和性差的涂层硬质合金刀具。由于加工硬化现象严重，刀具要尽量锋利，切削深度不宜太小，精加工 选择为0.2～0.3mm。为了改善加工表面质量、减小刀具磨损，应尽量采用较小进给量、多次走刀的方法。钻头减小钻头横刃宽度，以减小钻削时的轴向力。钻削时，采用低速大进给加工时，停止进给时，要使钻头迅速脱离切削表面，以免加剧硬化，给下一次进刀钻削带来困难。

四、结语

通过以上措施的实施，高温合金细长轴合格率提到了大幅提升，也为我厂加工类似零件积累了宝贵的实践经验。后续我们将继续优化加工过程，在保证质量的前提下，提高零件的加工效率。

参考文献

[1] 韩荣第.难加工材料切削加工[M].北京：机械工业出版社。1996.

[2] 郑文虎.难切削材料加工技术[M].北京：国防工业出版社，2008.

作者简介

作者张绍伟目前就职于新航集团，曾担任车间技术员、技术主任、主任等职位,对精密齿轴零件的加工具有较高的技术水平和应用经验。

作者张永强目前就职于新航集团103厂，担任技术员，对精密齿轴零件的加工具有较高的技术水平和应用经验。

作者王永生目前就职于新航集团103厂，担任技术员，对阀类零件的加工具有较高的技术水平和应用经验。

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