郭寧榮，宗 進(jìn)，黃振宇，孫鳴遠(yuǎn)

（中航工業(yè)洪都集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000）

0 引言

A100 超高強(qiáng)度鋼是一種強(qiáng)度高、硬度高的鋼，是飛機(jī)起落架首選材料。飛機(jī)起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件超高強(qiáng)度鋼的加工切削是航空制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，超高強(qiáng)度鋼具有高抗拉強(qiáng)度和硬度的特點(diǎn)，但存在切削變形大、切削力大、加工硬化顯著的問題，導(dǎo)致刀具磨損快，給切削帶來了極大難度。例如江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)部件加工廠的某些工件使用A100 材料，在零部件加工制造過程，面臨切削效率低、刀具消耗大的問題。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，任家隆等[1]針對(duì)GCr12、Cr12、45 號(hào)鋼三種中強(qiáng)度材料分別采用自然冷卻、常溫壓縮空氣、低溫風(fēng)冷方式進(jìn)行了切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)冷加工能夠提高刀具使用壽命，冷風(fēng)溫度越低，冷卻效果越好。趙威等[2]用液氮作為冷卻介質(zhì)，用于高速銑加工鈦合金發(fā)現(xiàn)，和干切削相比，刀具磨損與已加工表面粗糙度均相對(duì)較低。滿忠雷等[3]試驗(yàn)在氮?dú)饨橘|(zhì)下銑削鈦合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)刀具的磨損狀況比干銑削時(shí)得到明顯的改善，刀具壽命平均提高1 倍以上。北京航空航天大學(xué)袁松海等[4]用硬質(zhì)合金刀具銑削高強(qiáng)鋼30CrNi2MoVA 試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低溫微量潤滑切削可以抑制刀刃處黏結(jié)物產(chǎn)生，延長刀具使用壽命。安慶龍等[5]在鈦合金的平面磨削中，分別使用低溫干式冷風(fēng)、常規(guī)澆注以及低溫氣動(dòng)噴霧射流對(duì)磨削區(qū)進(jìn)行沖擊冷卻，發(fā)現(xiàn)采用低溫氣動(dòng)噴霧射流技術(shù)具有更好的冷卻效果。袁松梅等[6]指出，微量潤滑技術(shù)作為一種綠色高效的加工方法，具有切削力低、延長刀具壽命、提高工件表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝仍需完善。在已有研究的基礎(chǔ)上，本文通過研究低溫對(duì)于超高強(qiáng)度鋼的加工性能影響，提出對(duì)超高強(qiáng)度鋼的可加工性與現(xiàn)有力學(xué)性能指標(biāo)、刀具性能、切削參數(shù)之間的關(guān)系，探索降低刀具損耗、提升加工效率的工藝。

1 技術(shù)研究思路

1.1 基本需求分析

超高強(qiáng)度鋼（A100 鋼）具有高強(qiáng)度、高硬度，且具有高的斷裂韌性和延展性，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高韌結(jié)合，被廣泛用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)起落架等重要承力構(gòu)件。美國已成熟將其運(yùn)用于F22/F35 等先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)起落架上。目前國內(nèi)現(xiàn)有的A100 鋼材料技術(shù)及其配套加工工藝技術(shù)不斷完善，國內(nèi)新研飛機(jī)起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上也開始大量采用A100 鋼，這大大提高了飛機(jī)起落架的性能。然而，A100 鋼材料在銑削加工存在材料切削加工性差、刀具磨損嚴(yán)重、難加工的工藝難點(diǎn)，作為起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，毛坯去除率高達(dá)55%～60%，占零件加工周期35%以上。A100 鋼材料的切削加工性能是制約我國軍用戰(zhàn)斗機(jī)、艦載機(jī)、民用型號(hào)飛機(jī)起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件加工效率的共性問題。突破A100 超高強(qiáng)度鋼的零件銑削工藝，是推動(dòng)國家航空制造業(yè)生產(chǎn)效率提升、推動(dòng)國家航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展和確保國防安全的重大需求問題。

1.2 技術(shù)解決方案

采用超低溫風(fēng)冷（-60 ℃）微量潤滑粗加工銑削A100 超高強(qiáng)度鋼（23Col4Ni12Cr3MoE）是一種清潔化高效加工方法。系統(tǒng)如圖1 所示，在加工中心旁設(shè)置低溫風(fēng)冷微量潤滑加工裝置，風(fēng)冷微量潤滑系統(tǒng)產(chǎn)生的超低溫壓縮空氣和微量潤滑劑混合通過保溫管路輸送到主軸附近，冷氣分成2 路或3 路吹向刀具加工點(diǎn)附近，噴頭距離刀片5～30 mm。冷卻采用外置噴頭的方式，兩個(gè)噴頭呈45°角吹向加工點(diǎn)。

圖1 加工系統(tǒng)示意圖

2 超低溫風(fēng)冷加工與常溫切削液加工對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案和切削參數(shù)

本試驗(yàn)在成都龍泉卡爾中心展開，機(jī)床采用三軸強(qiáng)力銑床、超低溫風(fēng)冷微量潤滑系統(tǒng)，通過低溫風(fēng)冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷氣，輸送到加工中小刀具加工點(diǎn)，進(jìn)行低溫風(fēng)冷加工。

把試件A100 材料（23Col4Ni12Cr3MoE）加工成直徑130 mm 和160 mm 的棒料，底部開壓板槽，用于固定。試驗(yàn)過程采用銑面，首先用切削加工，選擇加工參數(shù)vc=90 m/s、Ap=0.5 mm、Fz=0.46、直徑De=32 mm、吃刀量ap=0.5 mm，獲取的切削加工效率和刀具壽命作為基準(zhǔn)。超低溫風(fēng)冷微量潤滑系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)為溫度-60 ℃，進(jìn)氣流量100 m3/h，空氣壓力0.55 MPa，冷卻介質(zhì)為乳化液/低溫壓縮空氣。超低溫風(fēng)冷加工試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 超低溫風(fēng)冷加工試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.2 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)用材料分為直徑160 mm 與直徑130 mm 兩種規(guī)格，依據(jù)不同的切削參數(shù)編制了不同的加工程序；兩種規(guī)格高度都為125 mm，編制程序?yàn)樯媳砻鎴A心為G54，每個(gè)程序加工高度H=50 mm；每個(gè)試棒可加工兩次程序；程序采用先走內(nèi)腔模擬滿刃切削，再走外側(cè)壁高度輪廓。

2.3 試驗(yàn)過程

1）規(guī)范試驗(yàn)用量大小，切割成大小合適3 h 左右加工時(shí)間規(guī)格?？紤]材料、刀具切削性能，本試驗(yàn)棒料直徑為130 mm 和160 mm 有效加工高度為100 mm，將毛坯下料，底部銑壓板槽，壓板槽槽寬10 mm、深20 mm。

2）選用3 齒快進(jìn)給刀具瓦爾特Φ32R0H140（有效長度140）；F2330.Z32.032.Z03.01.5；刀片P26335-R14WSP45S，3 個(gè)切削刃；選用3 齒圓刀片銑刀森拉天時(shí)Φ32R0H140（有效長度140）；G251.32.R.03-12-35-RS；刀片RPHX1204M8SN-F50 CTCS245，8 個(gè)切削刃。

3）依據(jù)試驗(yàn)料大小編制走刀路徑，盡可能覆蓋毛坯表面，采用螺旋走刀路徑，注意下刀角度1°，確定切寬Ae=21 mm。

4）依照vc=90 m/s、Ap=0.5 mm、Fz=0.46，采用常溫水冷和-60°作為初始參數(shù)得到刀具壽命TL。

5）依次改變切削參數(shù)，如切深、每齒進(jìn)給量、線速度、溫度；通過調(diào)整得到最優(yōu)的綜合加工功效C，C=QTL，其中TL為刀具加工壽命，Q 為切屑去除量。

6）每組試驗(yàn)完成后，根據(jù)需要，每隔15～30 min，把刀片取下，在影像儀下觀察刀片磨損情況如圖3 所示。試驗(yàn)采用四川普賽PV4030-DCC 影像儀對(duì)刀片放大50 倍進(jìn)行觀察，并記錄，直至刀片完全磨損至不能使用，記錄下刀具的壽命。

圖3 普賽PV4030-DCC 影像儀測(cè)量刀片磨損狀態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

兩種切削工藝切出的試件，目視檢查無差異，低溫風(fēng)冷加工現(xiàn)場(chǎng)干凈，所有運(yùn)用低溫風(fēng)冷切削的綜合加工功效都顯著高于切削液加工。在相同的切削參數(shù)條件下，用常溫切削液加工，刀具壽命146 min，去除速率13.13 cm3/min，綜合加工功效1917 W；同樣的切削參數(shù)，改成低溫風(fēng)冷微量潤滑加工，刀具壽命260min，刀具壽命提升了78.1%；綜合加工功效3412.5 W，提升了78.1%。四川普賽PV4030-DCC 影像儀對(duì)刀片放大50 倍的觀測(cè)如圖4 所示。

圖4 四川普賽PV4030-DCC 影像儀對(duì)刀片放大50 倍的觀測(cè)

4 結(jié)論

1）低溫風(fēng)冷微量潤滑切削加工能顯著改善超高強(qiáng)度鋼的加工性能，在小的切削深度情況下（0.5 mm），刀具壽命最長可達(dá)260 min，提升78%。

2）整體來看，-60 ℃低溫風(fēng)冷切削更適合超高強(qiáng)度鋼，低溫風(fēng)冷切削可以通過提高切深和進(jìn)給量釋放更多的機(jī)床加工能力，在超高強(qiáng)度鋼的切削加工中可以大力推廣超低溫風(fēng)冷微量潤滑加工技術(shù)，因?yàn)槠涮岣吡说毒叩氖褂脡勖?jié)約了加工時(shí)間和成本。