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        高溫合金材料拉削工藝的研究

        2018-05-23 06:38:29隋勝濤龐繼友劉軍喆
        機械工程師 2018年5期
        關鍵詞:高速鋼粉末冶金熱處理

        隋勝濤, 龐繼友, 劉軍喆

        (中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司,沈陽110043)

        0 引言

        在拉削高溫合金時存在著很多問題,尤其是拉削較難加工材料,如GH2696、GH4169及某型號的高壓渦輪盤和低壓渦輪盤所用材料FGH96(粉末高溫合金)等。我們選擇了新型刀具材料粉末冶金高速鋼PM-T15和ASP2030制造拉刀。并對從選材到應用的整個工藝過程進行跟蹤研究,最后得出結論:該材料可延長刀具壽命50%以上,從而可大大降低此類刀具的成本。

        拉刀在航空發(fā)動機制造業(yè)應用非常廣泛,它具有加工精度高、加工效率高、表面粗糙度低等優(yōu)良性能。在某些航空零件上,這種加工工藝方法是其它加工手段不可替代的。但在拉削某型號葉片時,因其材料是鐵基高溫合金GH2696,較難加工,目前所用的最好的刀具材料是W2Mo9Cr4VCo8(M42),拉削過程中出現(xiàn)的問題很多,刀具壽命短,底面拉刀刃磨一次后,僅能拉削10~20片葉片,刀具磨損嚴重,被拉削表面波紋大,尺寸難以保證,還出現(xiàn)過拉刀被拉斷的現(xiàn)象,有必要開展GH2696材料拉削性能研究,為今后拉削航空難加工材料開辟一條新路。

        1 拉削GH2696材料拉刀的性能及設計

        以GH2696材料葉片為載體,進行粉末冶金高速鋼拉刀的工藝研究,找到一種更適合加工難加工材料的刀具材料,研究該材料的機械加工性、熱處理方法、制造拉刀時的結構及拉削參數(shù),并對其能否推廣應用于實際生產(chǎn)中進行可行性分析。

        1.1 葉片材料

        葉片材料是鐵基高溫合金GH2696。該材料是一種以Fe-25Ni-12Cr為基體的高溫合金,用少量的鈦、鋁、鉬和微量硼綜合強化,在650℃以下具有高的屈服強度和持久蠕變強度,以及良好的高溫彈性性能、抗燃汽腐蝕性能和加工塑性。其良好的力學性能給機械加工帶來很大難度。

        熱處理:固溶1000~1050 ℃,保溫2~5 h,油冷;時效730~780 ℃,保溫16 h,空冷;硬度302~388 HB。

        1.2 拉刀的選擇

        由于該材料拉削有一定難度,所以我們選擇了用粉末冶金高速鋼PM-T15和ASP2030制造拉刀,為了解該刀具材料的拉削性能,選擇了左右側面粗拉刀(圖號3BD175-0013-1/2)做為我們研究的對象。用PM-T15材料制造3BD175-0013-1/2的第一段拉刀(2把),用ASP2030材料制造3BD175-0013-1/2的第二段拉刀(2把)。

        1.3 原拉削時出現(xiàn)的問題及解決辦法

        原拉削時刀具壽命很短,有的拉刀刃磨一次只能拉削20~30片葉片,刀具磨損嚴重,被拉削表面波紋大,尺寸難以保證。究其原因很復雜,包括葉片材料加工難度大、留加工余量大(相對拉削其他材料)、機床的裝夾部位剛性差、液壓系統(tǒng)不平穩(wěn)等。首先針對該葉片材料強度高、韌性好、加工困難等特點,將拉刀的齒升量降低,由原來的0.07、0.08 mm降到0.04、0.05 mm(兩段拉刀),并將葉片的拉削余量盡量留得少一些。這樣做了改進之后,拉削效果有了明顯的好轉。針對以上拉削GH2696材料出現(xiàn)的問題,我們選擇了用粉末冶金高速鋼PMT15和ASP2030制造拉刀,以進一步提高拉削質(zhì)量,并將其與原拉刀材料進行比較。

        1.4 拉刀材料及特性

        1)拉刀材料采用粉末冶金高速鋼PM-T15和ASP2030制造。傳統(tǒng)的高速鋼冶煉制造工藝采用大噸位電弧爐冶煉、模鑄澆鑄成錠,由于鋼錠澆鑄尺寸較大,鋼水冷卻緩慢且高速鋼化學成分復雜,合金元素含量高,使其萊氏體組織粗大,碳化物偏析嚴重,從而降低了高速鋼的各方面的性能,力學性能降低,鍛、軋加工困難,熱處理變形嚴重。粉末冶金高速鋼改變了傳統(tǒng)高速鋼澆鑄與成錠工藝,采用了霧化制粉及壓力加工成型工藝。國際上較先進的粉末冶金高速鋼制造基本工藝是將冶煉完、符合化學成分要求的鋼水及經(jīng)強力高壓氮氣霧化的細小液滴瞬間迅速凝固成合金粉末顆粒,其粒度相當于一般鑄錠億萬分之一的“超細小鋼錠”,形成了極快冷凝固制粉。霧化制粉完成后,合金粉末顆粒經(jīng)篩分、裝包套、搖實、抽真空脫氣等工序,再經(jīng)冷、熱等壓力加工成錠。其優(yōu)點是成分均勻碳化物無偏析,易實現(xiàn)高合金化;與傳統(tǒng)高速鋼比較,其強度和韌性大幅度提高,熱處理變形小,尺寸穩(wěn)定性高,可磨削性能好。

        2)材料原始狀態(tài)技術條件。ASP2030:碳化物偏析0~1級;原始狀態(tài)硬度為27 HRC;平面度不大于0.5。PMT15:碳化物偏析0~1級;原始狀態(tài)硬度為23~24 HRC;平面度不大于0.5。

        3)化學成分(見表1)。

        表1 化學成分質(zhì)量分數(shù) %

        4)品質(zhì)特性。組織均勻細小,無碳化物偏析,高耐磨性,韌性和抗疲勞性優(yōu)異,各向同性,加工性能優(yōu)良,熱處理性能穩(wěn)定。

        5)應用。基于粉末冶金高速鋼具有以上優(yōu)秀品質(zhì),適用于要求長壽命刀具和切削難加工材料用復雜刀具,并能提升斷續(xù)切削能力,因此可顯著提高生產(chǎn)率,降低刀具成本。

        1.5 粉末冶金高速鋼拉刀的結構

        由于GH2696材料強度和韌性都很高,刀具磨損嚴重,所以在粗拉削時選擇的齒升量相對于拉削其它材料要小一些,每齒齒升量為0.04、0.05 mm,拉刀的前角為10°、后角為3°(同M42拉刀)。

        1.6 粉末冶金高速鋼拉刀加工工藝性

        1)銑削性能。從以上材料性能可以看出,粉末冶金材料在熱處理前硬度較低,采用普通的高速鋼W18Cr4V即可加工。PM-T15切削參數(shù):a=3 mm,f=63 mm/min,v=31.4 m/min。ASP2030切削參數(shù):a=1.5~2 mm,f=63 mm/min,v=31.4 m/min。

        2)磨削性能。最好采用混合剛玉砂輪磨削,用鉻剛玉砂輪磨削也可以。淬火前,用鉻剛玉砂輪磨削時,感覺材料有些黏,粗磨后表面稍有退火,精磨時進給量不要超過0.02,以免退火。為防止熱處理變形,淬火前留粗磨余量單面0.6 mm(實際熱處理變形量很小,約0.1 mm)。用鉻剛玉砂輪磨削時的磨削參數(shù)(2種材料均用此砂輪):a=0.02 mm,f=3~5 mm/次,v=2355 m/min。

        3)熱處理特性及制度。相對于常用的高速鋼M42,粉末冶金高速鋼的熱處理變形小,不易出現(xiàn)微裂紋。淬火伸長量:PM-T15為0.0025 mm;ASP2030為0.0025 mm。熱處理制度見表2。

        表2 熱處理制度

        2 試驗

        1)材料。被拉削材料為鐵基高溫合金GH2696,拉刀材料為PM-T15和ASP2030,潤滑油為30號機油。

        2)設備為40 t臥式拉床。

        3)拉削速度:拉削速度選擇1.5 m/min時,被拉削零件表面振動波紋較大,并伴隨有很大的振動聲音;拉削速度選擇1.9 m/min時,被拉削零件表面仍有振動波紋,聲音有所減輕;拉削速度選擇2.2 m/min時,剛拉削時零件表面沒有波紋,待拉到第32個葉片以后開始有輕微的波紋,并伴隨有輕微的振動聲。由于該拉床的最大拉削速度是2.2m/min,所以我們就用這一速度做了實驗。

        4)試驗結果(見表3)。

        表3 試驗結果

        由于試驗條件有限,裝夾部位剛性差、液壓系統(tǒng)不平穩(wěn),得出的數(shù)據(jù)只能是現(xiàn)有條件下的結果,據(jù)資料介紹和我們在其它刀具上的應用情況看,效果還應更好。

        3 性價比分析

        由于該課題是試驗性質(zhì)的,進料比較少,成本相對要高一些,所以做詳細的性價比分析不可能準確。而且,不同的粉末冶金高速鋼其價格也不一樣,性能也不一樣。所以我們只能做一下簡單的分析。

        如果各方面都操作好的話,包括進料渠道、材料狀態(tài),如我們買的材料是成材,不需要粗銑去很大的余量,M42材料只能做鍛件,雙面留余量要5 mm,而且國產(chǎn)M42材料比較脆,淬火后校直時和拉削過程中易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。M42的價格是360~380元/kg,粉末冶金高速鋼的材料價格大約是M42的1.5~1.8倍,去除M42材料的損耗量,其價格不到M42的1.5~1.8倍,拉刀的加工費用除粉末高速鋼不用粗銑毛坯外,其它都是一樣的。從以上分析可以看出,尤其是對于精拉刀其加工費用較高,如果材料費只提高不到1.5~1.8倍,加工費用相同,拉刀的壽命就能提高60%以上。

        4 結論

        葉片材料GH2696是一種以Fe-25Ni-12Cr為基體的高溫合金,具有很高的屈服強度和持久蠕變強度,以及良好的加工塑性,其良好的力學性能給我們加工帶來了很大難度。

        針對該材料拉削時刀具磨損快、使用壽命低等缺陷,我們選用了粉末冶金材料PM-T15和ASP2030制造拉刀,并根據(jù)以往的拉削經(jīng)驗,將拉刀的齒升量選得盡量小一些,為0.04~0.05 mm。

        通過實踐證明,該材料的銑削和磨削性能都比較優(yōu)良,相對于以往使用的M42拉刀,其熱處理變形小,不易出現(xiàn)微裂紋,刀具使用壽命提高50%以上。該材料的應用,不但會進一步提高被加工零件的表面質(zhì)量,還會給公司減少大量的拉刀費用。所以說該刀具材料的應用具有很高的推廣價值。

        粉末冶金材料PM-T15和ASP2030與傳統(tǒng)高速鋼比較,其強度和韌性大幅度提高,熱處理變形小,尺寸穩(wěn)定性高,銑削性能和磨削性能好,而且拉刀的壽命也提高了60%以上,在我公司具有很高的推廣價值。

        [參考文獻]

        [1] 韓榮第.難加工材料的性能特點決定高效加工的有效途徑[J].航空制造技術,2011(11):44-45.

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