高温合金加工：进给率堪比铝合金

航空工业的大量订单给发动机制造商及其供应商的能力带来了巨大压力。因此，减少零件加工时间将受益匪浅。对于高温合金，硬质合金铣刀的切削速度约为 50 米 / 分。陶瓷铣刀提供了一种不同的方法：其切削速度可达 1,000 米 / 分。

瓦尔特的产品包括两个系列的陶瓷铣刀：具有通用槽形的 MC275 适用于大多数应用场合 ; MC075 为高进给铣刀。两种 产品系列均可提供 8 ～ 25 毫米的切削直径。直径为 8 ～ 12 毫米的刀具可作为整体铣刀使用，而直径为 12 ～ 25 毫米的刀具可作为 ConeFit 铣刀使用。在这两种情况下，只有刀具的头部由陶瓷制成。该刀 头钎焊在硬质合金接柄或碳化物 ConeFit 基体上。原则上，整个铣刀可以由陶瓷制成，但是硬质合金接柄增加了刀具的强度和阻尼。与整体式陶瓷刀具相比，其悬伸长度更长，材料去除率更高。

陶瓷切削刀具材料的应用范围包括 ISO S 组中的镍基、钴基和铁基耐热合金。 例如典型的合金有 Inconel 718、René® 80、Nimonic® 80A、 Haynes® 556®、 Mar-M-247® 和 Stellite® 31。这些高温合金 （HRSA）是飞机发动机高温部分的首选。

陶瓷切削刀具材料可定制用于铣削应用。与晶须增强陶瓷相比，SiAlON 陶瓷更耐温度波动。正因如此，它们成为铣削加工工序的理想选择。断续切削导致切削刃上的温度变化，并且冷却介质的使用可以进一步增加温差，从而产生热冲击效应。 因此，瓦尔特建议在使用陶瓷铣刀加工高温超合金时，采用干式加工。用户得到的另一个好处是，由于不适用冷却润滑剂， 加工作业环保，经济实惠。

使用陶瓷刀具铣削镍基合金时磨损的主要原因是由温度和积屑瘤引起的化学磨损。虽然化学磨损或扩散磨损持续削弱切削刀具材料，但是由于在切削刃上堆积而引起的磨损是不可预测的，并且会出现突然增加。 由于加工温度高（见图 1），以及高温超合 金的韧性高，即使在高温下（例如 Inconel® 718；750℃时 Rm = 880 N/mm²），刀具上会有大量积屑。这些积屑可熔化到切削材料的表面上，并且在移除时，使陶瓷部分被 削掉。刀具上的积屑瘤详见图 2。即使加工 HRSA 所产生的高温对刀具寿命有负面影 响，但这是必需的。这是降低材料硬度并提高加工效率的唯一方法。

切削参数由切削刀具材料和需要加工的材料确定。脆而耐热的切削刀具材料可在高温下使用，但是低冲击强度要求 0.02 ～ 0.05 毫米的每齿低进给率，全开槽工序 ap = 5％ Dc 的小吃刀量和最大切削刃长度的轮廓铣削的 ae = 5％ Dc。其例外情况是，具有高进给槽形的 MC075，其中 ap ≤ apf 时，fz = 0.15 毫米。两种产品的切 削速度均在 400-1000 米 / 分。

具有硬质合金切削刃的铣刀与具有陶瓷切削刃的铣刀的结果不可能相差很大。 图 2 所示的磨损照片显示了陶瓷铣刀仅用于粗加工的原因。磨损迹象（例如切削刃上的切屑和宽度超过0.5毫米的磨损痕迹）只是表明硬质合金铣刀的使用寿命快要结束，并不是停止使用陶瓷切削刀具的理由。通过对切削参数进行比较，也可清楚地看出两类刀具材料之间的差异。例如， 对 Inconel® 718 全开槽所用的直径为 10 毫米的立铣刀进行比较（见表 1）：尽管使用碳化物的切削深度较大，但是使用陶瓷的进给率大得多，这种优势是无可比拟的。 在这种情况下，使用陶瓷切削刃的金属去除率在 56％以上。此外，使用陶瓷铣刀去除的金属总量比硬质合金铣刀高 180％。 就金属去除率和每个刀具寿命中去除的金属总量参数而言，陶瓷比碳化物具有明显优势。使用相同的机床，加工时间更短， 加工批量更大；用户可以选择配置其现有机床，从而可使用更少的加工中心。总加工量大，刀具成本低。

镍基合金部件加工的经典案例是飞机发 动机的整体式涡轮叶盘。此旋转整体部件是 一个具有大量叶片的盘。使用硬质合金铣刀， 通过粗加工，可铣出叶片之间的空间。加工 时间约 30 分钟。具有高进给槽形的 MC075 陶瓷铣刀可在 10 分钟内切出相同的空间。 对于这种应用，它在硬度为 44HRC、抗拉 强度为 1400 N/mm2 的耐热镍基合金中实现 了 9500 mm/min 的进给率。这些进给速率值 通常用于加工铝，而不是镍基合金。

虽然陶瓷刀具提供了极好的加工机会，但是值得考虑的是，陶瓷铣刀达到的高加工温度是否会导致材料的损坏。由于 陶瓷刀具仅用于粗加工，所以唯一需要保 证的是，材料损坏的深度小于精加工的偏差。与位于德国亚琛的 Fraunhofer IPT 公司通力合作，我们测量了硬化的深度和范围 - 针对具有不同磨损水平的陶瓷铣刀， Inconel® 718 的全开槽工序。在陶瓷刀具铣 削具有中等磨损的 13 或 14 个槽或磨损严重的 23 个槽后，我们分别对其进行了硬度测量。为了确定并评估最大热负荷，槽上选择的测量点如下文所示（见图 3）。为 确保收集的数据正确，我们进行了如图 4所示的测量。材料的基本硬度为 446HV。 结果：在 100 微米的深度内检测到高达 640 Hv 的硬化。无论刀具的磨损或测量方向如何，如果深度大于 200 微米，都检测不 到硬化。由于通常适用的粗加工偏移量在 3/10 ～ 5/10，所以不希望使用陶瓷工具进行的粗加工在精加工过程后，会导致任何 其它损坏。陶瓷铣刀是高效可靠加工高温合金的理想选择。

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□ 本文由瓦尔特公司供稿