摘 要：馬氏體沉淀硬化不銹鋼FV520B的鍛件晶粒度等級(jí)決定于鍛造的工藝和熱處理的保溫時(shí)間及溫度。此種材料的鍛件晶粒度等級(jí)對(duì)鍛件銑削性能有較大的影響。將鍛件的晶粒度級(jí)別控制在合理的范圍內(nèi)，可使其獲得良好的銑削性能。

關(guān)鍵詞：晶粒度；鍛件；FV520B；銑削性

1 概述

FV520B是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，主要Cr的含量為13.00～14.50%，Ni的含量為5.0～6.0%，內(nèi)部基體組織主要由馬氏體組成，含有沉淀硬化相。此材料具有強(qiáng)度高、硬度高，沖擊韌性好的特點(diǎn)。因此，被廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、渦輪增壓機(jī)的葉輪的設(shè)計(jì)制造中。如何降低銑削加工葉片的制造費(fèi)用，并減少機(jī)床的使用時(shí)間，從而達(dá)到降低壓縮機(jī)生產(chǎn)制造成本的目的，成為大家研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著鍛件晶粒度等級(jí)的降低，材料的內(nèi)部組織鍛造的均勻性越差，晶粒變大，使得葉輪葉片銑削加工難度越大。文章通過晶粒度為3-3.5級(jí)的鍛件與晶粒度為5級(jí)兩組葉輪的銑削過程進(jìn)行對(duì)比研究，為FV520B作為葉輪鍛件，能夠達(dá)到基本的銑削性能，而要求的最低晶粒度等級(jí)提供了一定的依據(jù)。

2 項(xiàng)目背景

實(shí)際生產(chǎn)制造中，由于鍛造工藝、熱處理工藝的控制過程的差異，會(huì)使得最終葉輪鍛件的力學(xué)性能、晶粒度等級(jí)等發(fā)生變化。

目前，市場(chǎng)上常用FV520B鍛件的場(chǎng)合，基本拉伸指標(biāo)在930MPa。而有些特殊要求的使用環(huán)境，要求葉輪鍛件抗拉指標(biāo)大于1078MPa。如何得到保證力學(xué)性能，同時(shí)又擁有內(nèi)部組織均勻的鍛件，成為鍛造工藝的問題點(diǎn)。對(duì)于我們?nèi)~輪制造企業(yè)來講，晶粒度等級(jí)大于幾級(jí)才能夠滿足我們的使用、制造的需求，成為研究的重點(diǎn)。

文章就通過晶粒度分別為3級(jí)、5級(jí)的鍛件進(jìn)行銑削試驗(yàn)，得出相關(guān)結(jié)論。

3 試驗(yàn)條件及方法

文章采用晶粒度分別為3-3.5級(jí)、5級(jí)的兩種葉輪鍛件，在相同的夾裝方式、相同的刀具、相同的機(jī)床以及一定的切削參數(shù)條件下進(jìn)行葉片銑削加工。通過對(duì)切削過程中各個(gè)加工參數(shù)的調(diào)整，分析材料中晶粒度變化對(duì)切削功率、刀具壽命、切削效率的影響。試驗(yàn)之前的通用條件為：

（1）五根軸聯(lián)合運(yùn)動(dòng)數(shù)控銑床型號(hào)：MACHING CENTER C 40U，

是市場(chǎng)上常見的用于銑削葉片的哈默數(shù)控銑床。

（2）數(shù)控編程的切削方式：采用型面銑削的刀具軌跡控制方式。

（3）數(shù)控刀具：采用整體式硬質(zhì)合金銑刀、機(jī)夾刀片刀具，兩者相結(jié)合。

（4）冷卻液：SF34A。

（5）工件尺寸：鍛件￠410mm×220mm（直徑×高），整體鍛造回司，見圖1。

（6）銑削工裝：夾裝、定位方式如圖2所示。

（7）FV520B鍛件的化學(xué)成分：C：≤0.07，Mn：≤1.00，Si：≤0.70，Cr：13.00～14.50，Ni：5.0～6.00，Mo：1.30～1.80，Cu：1.30～1.80，Nb：0.25～0.45，S：≤0.03，P：≤0.03。

（8）FV520B鍛件的力學(xué)性能：σb>1078MPa σs>1029MPa δ5>12% ψ>35% αk>55J/cm2 35～40HRC。

試驗(yàn)過程中，兩組數(shù)據(jù)都是采用相同的刀具伸出量、相同的定位方式。在其它切削條件相同的情況下，按照表1、表2進(jìn)行銑削試驗(yàn)。每次試驗(yàn)過程中，記錄刀具的壽命和切削時(shí)的效率。

其中，刀具的使用壽命是以刀具磨損或是刃口崩裂嚴(yán)重，已經(jīng)不能再進(jìn)行后續(xù)的切削，也已切不動(dòng)工件為判斷依據(jù)的。而刀具的切削效率是包括兩方面：一是在相同切深時(shí)的，不同進(jìn)給速度；二是不同的切深參數(shù)條件下的，不同的進(jìn)給速度（相同的切深條件下，刀具切削環(huán)境相當(dāng)惡劣，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的不正常刃口崩裂，故只能設(shè)置不相同的切深值進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)）。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 切削力

在用相同刀具、相同的切削參數(shù)進(jìn)行銑削，所需的機(jī)床的功率值如圖3所示。

由圖中的數(shù)據(jù)可見，在相同的切削條件下，晶粒度為3.5的葉輪鍛件切削功率高于晶粒度為5級(jí)的銑削功率，大約高出10%。而銑削功率是銑削力的表現(xiàn)，因此，由上述銑削功率的情況可知，在相同的銑削條件下，晶粒度等級(jí)為3.5級(jí)的FV520B鍛件在進(jìn)行葉片銑削過程中，所需要的切削力比晶粒度5級(jí)的鍛件大。

在葉片銑削加工過程中，由于刀具與葉輪的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的劇烈摩擦，以及去除材料時(shí)產(chǎn)生較大切削力的作用，使得在工件表面層發(fā)生彈性、塑性變形，形成大量的結(jié)構(gòu)變形熱；另外，刀具與工件、切屑接觸部位的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生大量的摩擦熱，在銑削過程中消耗的機(jī)床的機(jī)械能的絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱能，并分別由葉輪、切屑、刀具及周圍介質(zhì)（如冷卻液、空氣等）所帶走或散失。

由此可見，金屬的切削過程是一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換和刀具消耗過程。在銑削加工工藝設(shè)置及加工過程中，刀具的最初的幾何狀態(tài)，包括前角、主偏角以及刀尖圓弧半徑等，由于磨損會(huì)導(dǎo)致幾何參數(shù)變化，這些都會(huì)引起切削熱的傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致摩擦力及切削力的改變；同時(shí)，工件材料的加工硬化、熱導(dǎo)率及脆性等特性也會(huì)直接影響到切削區(qū)域內(nèi)的切削力。

FV520B鍛件在進(jìn)行葉片銑削過程中，粗晶粒對(duì)比細(xì)晶粒的工件能更有效地阻止裂紋的擴(kuò)展，其斷裂所需能量較多；除此之外，晶粒度為3.5級(jí)的鍛件的晶粒均勻性相對(duì)于晶粒度為5級(jí)的鍛件較低。因此，粗晶粒的銑削過程中，所消耗的比切削力和切削能大于晶粒較細(xì)的鍛件。晶粒度為3.5級(jí)的粗大晶粒，微觀組織會(huì)導(dǎo)致斷續(xù)切削。斷續(xù)切削特別容易產(chǎn)生刀具刃口崩裂，導(dǎo)致刀具與工件之間磨損加劇，使得切削力和切削溫度急劇升高，產(chǎn)生振動(dòng)。故在一定切削功率條件下的切削中，細(xì)晶粒材料的進(jìn)刀速率和單次切深高于粗晶粒的鍛件，有利于生產(chǎn)效率的提高。

在切削時(shí)，主要是刀具面對(duì)切削層產(chǎn)生擠壓，切削層發(fā)生滑移進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形。由于各個(gè)晶粒間不均勻的變形，導(dǎo)致晶粒之間產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。晶粒度等級(jí)低的金屬對(duì)各個(gè)方向變形的協(xié)調(diào)性差，金屬受到某個(gè)方向單向的拉伸應(yīng)力會(huì)增加，這樣容易造成斷裂，并且切削力增大；隨晶粒晶粒度等級(jí)的提高和金屬的不均勻協(xié)調(diào)性提高，銑削力變小。

4.2 刀具壽命

在各自的切削條件下，分別對(duì)兩種不同晶粒度的葉輪鍛件進(jìn)行葉片銑削加工，各個(gè)刀具的壽命平均值列于表1、表2。

由表中可見，在相同的切削參數(shù)、正常的切削環(huán)境下，晶粒度3.5級(jí)的材料所使用的刀具壽命明顯減少，大約是1/3倍。

刀具壽命一般用加工條件下刀具后面磨損到既定高度的切削時(shí)間來判斷，實(shí)驗(yàn)室也通過定時(shí)測(cè)定刀具磨損量來比較刀具壽命，同時(shí)觀察刃口的狀況來評(píng)價(jià)刀具強(qiáng)韌性和耐磨性。從大量的使用信息可以表明，崩刃口是整體刀具失效的主要原因。晶粒度等級(jí)為3.5級(jí)、5級(jí)的鍛件所使用的整體硬質(zhì)合金刀具刃口圖片如下：

從上圖可以看出，圖4刀具刃口保持完好，斷口刃帶清晰平整；而圖5刀具刃口崩刃，出現(xiàn)磨損更為嚴(yán)重。從不同材料的刃口形貌來看，5級(jí)晶粒度材料的刀具刃口崩缺情況較進(jìn)口刀具輕微，磨損帶更平整，刃口形貌好于3級(jí)晶粒度材料刀具，說明5級(jí)晶粒度倒料的加工刀具使用時(shí)的耐用度高于5級(jí)晶粒度鍛件。

刀具在切削加工中，刃口的鋒利度會(huì)逐步降低，也將逐漸產(chǎn)生磨損加劇。當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到一定程度后，可以明顯地發(fā)現(xiàn)切削功率加大，切削溫度上升，切削顏色改變，甚至機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)，已加工表面也明顯惡化，這時(shí)就要考慮更換刀具。

5 結(jié)束語

文章以晶粒度等級(jí)為3.5級(jí)、5級(jí)的FV520B葉輪鍛件為研究對(duì)象，結(jié)合五根軸聯(lián)合運(yùn)動(dòng)機(jī)床加工工件的特點(diǎn)，對(duì)比分析了兩種不同鍛件的銑削性能，得出了晶粒度等級(jí)3.5級(jí)的葉輪鍛件進(jìn)行葉片銑削時(shí)，刀具使用壽命、加工效率都大大低于正常的5級(jí)晶粒度等級(jí)的葉輪。為后續(xù)葉輪FV520B鍛件的驗(yàn)收和使用標(biāo)準(zhǔn)做出了有效的參考。

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作者簡介：郭維娟（1985-），工藝工程師，主要從事壓縮機(jī)工藝及制造工作。