高速钢刀具在加工高温合金材料中的应用

    摘要：介绍了普通高速钢立铣刀加工GH864高温合金材料时的切削特点，并对在加工中的磨损机理进行了分析，通过改变刃磨角度，得到了合理的几何参数，给出了切削用量。
    关键词：W18Cr4V立铣刀   GH864高温合金
    中图分类号：TG71   文献标识码：B   文章编号：1000-4998（2002）07-0044-02
    由于炼油化工生产技术的发展，设备材料的耐高温性能要求越来越高，我厂生产的炼油能量回收装置烟气轮机，其转子动叶片所使用的材料为GH864合金，切削加工难度较大。
    一般加工高温合金采用M42高性能钴高速钢刀具，但M42刀具价格昂贵，而用标准W18Cr4V立铣刀加工高温合金刀具寿命短、功效低。为此在生产中通过多次试验，二次刃磨W18Cr4V立铣刀切削角度，得到了合理的几何参数，解决了用普通立铣刀加工高温合金的难题。
    1  加工特点
   （1）机械性能   GH864合金中Ni含量在51.7%以上，Ni、Cr元素总含量高达72.69%，该合金具有较高的高温强度，其机械性能（见表1）相当于美国waspolly合金。

表1   GH864合金瞬时机械性能

t(℃)	σb(MPa)	δp0.2(MPa)	δ5(%)	ψ(%)	αk(MPa)	HB
20 815	13000 620	800	26.4 20	31.1 32	0.39 0.6	298-390

   （2）切削加工特点   GH864合金由于Ni、Cr含量很高，合金中的Cr、Ti、Mo、Al等元素形成大量金属化合物和高硬度的碳化物质点；合金的奥氏体组织在切削加工时塑性变形剧烈，所以断裂韧性很大，加工表面硬化严重，产生的切削力大。
    根据试验，GH864合金在815℃时的抗拉强度是45号钢在该温度下抗拉强度的5.9倍，而其切削相对加工性仅为45号钢的0.08倍（见表2）。

表2   45号钢与GH864合金的机械性能与加工性能对比

材料	σb(MPa)		常温硬度HB	相对加工性
	20℃	815℃
45 GH864	640 1300	105 620	269-302 298-390	1 0.08

    2  磨损的原因及分析
    我们采用标准Φ40mm的W18Cr4V立铣刀加工动叶片榫齿斜面做试验，采用的切削量为刀具转速n=47.5r/min，进给速度f_t=30mm/min，切削宽度a_e=32mm，α_p=1mm；用柴油与废机油混合后做冷却润滑液。5次切削中，当铣削长度分别为66、80、77、77、71mm时，一次走刀就使铣刀严重磨损，无法继续进行加工。此时刀尖损成不规则的圆角，磨损值约1.5mm，后刀面磨损值约2mm，并存在有较深的沟槽，通过多次试验，情况基本一致。
    从GH864材料加工性能特点分析中可知，GH864材料断裂韧性大，加工时消耗的切削功大，产生大量的切削热，在高温下材料中的硬质点对刀刃产生强烈的摩擦,而在温度升高的过程中刀具硬度又在下降,GH864合金的强度却下降不多,处于合金晶界上的强化相γ'的硬度还略有升高，当切削温度高于600℃时W18Cr4V铣刀的硬度急剧下降，失去切削能力，于是造成刀刃和后刀面严重磨损，因此造成铣刀磨损的主要原因首先是GH864合金的加工性能较差。
    其次，标准立铣刀本身的几何角度不适于加工高温合金材料也是刀具磨损的重要原因，Φ40mm立铣刀螺旋角β为35°，前角γ_o为15°，主偏角k_r为90°，刀尖角ε_r<90°，由于前角较大，刀刃强度较差，而刀尖角小则不利于散热，刀尖强度低，再加上k_r=90°的主偏角使切削层厚度变厚，宽度变小，造成切削刃单位长度所承受的切削力很大。所以刃口强度低，刀尖角小，散热不好造成了W18Cr4V立铣刀加工GH864合金时产生较大磨损。
    3  解决方法
   （1）几何参数的合理选择  通过减少前角、增大刀尖角、减少切削刃的主偏角来提高W18Cr4V立铣刀刃口强度，增大刀尖的散热面积，降低切削刃单位长度上的切削力，以达到提高立铣刀寿命的目的，将标准立铣刀进行了二次刃磨，多次实验后，得到了合理的几何参数如下：γ_o=0°，α_o=6°-8°，k_r=35°-45°，γ₁=0°，α₁=3°-5°，k_r'=2°-3°
       经过修磨的立铣刀与标准立铣刀相比，前角减少为零度，刀尖角增大了近一倍，主偏角减少了1/2，有效地增强了立铣刀的刃口，增大了刀尖的散热面积，改善了切削刃的受力状况，使切削刃单位刃长的受力降低了40%-50%，从而提高了刀具寿命。
   （2）切削用量与切削液  实际加工中，选择切削用量为：v=4-5m/min,f=30mm/min,α_p=1-2.45mm,α_e=30-35mm。
    根据试验，采用柴油10%、废机油60%、硫化猪油30%的混合液作为切削液，可以有效地改善切削条件。
    4  使用效果
    经刃磨后的普通高速钢立铣刀加工GH864合金时切屑成形较好，易于控制，工件的已加工表面粗糙度可达R_a12.5-6.3μm，满足了加工要求。刀具消耗量降低了2/3，且铣刀刃磨方法简单，工人容易掌握。

[查数据、做研究，上钢联数据]