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摘要： 随着航空航天等高端制造业的发展，高温合金在发动机结构材料中的应用越来越广泛，特别是镍基高温合金的发展为我国航空航天发动机性能的提升起到了重要作用，GH4169的切削加工性能较低，加工效率不高也一直制约着航空航天等工业领域的发展，本文以航天产品涡轮盘为例从高温合金的材料特性、切削加工工艺以及刀具磨损等方面进行了研究，预期为高效高质量加工高温合金提供参考。
关键词： GH4169; 材料特性;切削加工性; 刀具磨损
1引言
高温合金又称为耐热合金，以铁、镍、钴为基，能在600℃ ～1200℃高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。本文以高温合金GH4169材料为研究对象，通过车削、铣削试验获得了最佳切削参数，并对刀具磨损进行了研究，分析了刀具磨损的影响因素，对影响加工表面质量的切削参数进行了优化，并对新型刀具及冷却方式进行了总结。
2 实验材料与方法
以航天某产品型号涡轮盘为例进行切削试验，涡轮盘由辐板、轮毂、安装边等部分组成。该涡轮盘是一个直径较大、结构复杂的典型盘件，在高温、高压、高转速的恶劣环境下工作，尺寸精度和技术要求很高，涡轮盘的材料为GH4169，其加工工艺性差;零件结构复杂、壁薄、刚性差，易变形。
生产工艺路线安排：毛料→粗车→稳定处理→精车基准→腐蚀检查→清洗→稳定处理→铣叶形槽→孔边抛光→去毛刺→加工投影检查试件→拉榫槽→榫槽尖边倒圆抛光→抛光型面→清洗→荧光检验→清洗→中间检验→喷丸→喷丸后磨加工修复→去毛刺→清洗→静平衡→清洗→最终检验→包装入库。
2.1 GH4169材料分析
GH4169含有这些高熔点元素﹑高激能合金元素，这些元素在合金中比较稳定，导致材料塑性变形的抗力大，使得切削加工时切削力较大，切削温度较高，而且GH4169的导热系数较低，约为钢的30%，加工时部位温度集中，可达1000℃。在高温下会增加刀具材料的扩散磨损，刀具材料变得脆弱，随着温度升高磨损会愈发严重。
2.2 实验加工设备
普通车床日本马扎克J1-MAZAK ，五轴数控加工中心 德玛吉DMU65;利用车床进行加工外圆及内孔，利用五轴数控加工中心加工叶形。
2.3 实验方法及刀具选择
此次实验中，采用的刀具及加工参数统计如下：
普车采用YG（钨钴类）车刀加工，大切深，高效的去除材料，刀具磨损极快，磨刀频繁。普通车床粗加工高温合金固溶材料，手工刃磨的YG类车刀，每刀吃刀量可达2.5mm，切削抗力基本达到机床极限，吃刀量累积7.5mm左右刀具会出现严重磨损和崩刃现象。
采用山特维克车刀进行加工，较YG6车刀，刀具寿命有所延长。
数控铣加工高温合金基本没有相应规格的专用涂层刀具，使用的刀具一般为普通整体式合金铣刀，刀具材料为K30、M42，合金刀具损耗对产品切深基本是1：1的比例，加工途中出现崩刃现象。
3 实验结果与分析
3.1刀具磨损分析
GH4169中含有高硬度的碳氢化物﹑相间化合物和氮化物，這些硬质点的磨损力很强。加工时切削温度很高，工件中的某些元素或化合物与刀具材料容易发生化学反应，导致冷焊和形成滞流层，在滞流层周期性脱落以后会带走一部分刀刃材料。另外，高温会加剧扩散磨损，使得刀具变得脆弱。由于切削温度高，周围介质中的H、O、N等元素易使刀具表面生成相间脆性相，使刀具表面产生裂纹，导致局部剥落、崩刃。
经过刀具磨损后进行晶相分析，硬质合金刀具前刀面与后刀面结合处出现月牙洼、粘结物、沟槽磨损。
3.2 形成强韧而连续的切屑和毛刺
在镍基高温合金切削时，当速度提高了以后，容易产生侧向塑性流动，外侧在刀具切削刃前端分裂成锯齿状侧向切削毛刺和切屑毛边。由于镍基GH4169合金塑性较高，形成的连续卷状切屑易缠绕刀具，造成刀具边界磨损。
3.3 加工硬化严重
GH4169金相组织上分析，合金中含有大量的强化相碳化物和合金间化合物溶于奥氏体固溶体中，从而使固溶体强化。切削过程中，由于切削热很高，这些强化相（碳化物或金属间化合物）从固溶体中分解出来，并呈极细的弥散相分布，使已加工表面产生冷作硬化，表面上的硬度比基体要高50%～100%。
3.4表面粗糙度分析
涡轮盘在高温高压环境下服役4，表面的微小凹坑往往是应力集中产生的多发处，凹坑过多会引起零件表面产生裂纹、降低零件疲劳强度、造成零件过早时效、缩短零件使用寿命，表面粗糙度值的大小常受切削用量、刀具、冷却条件等因素影响
本文实验中进行不同切削速度下单因素车削实验，而进给量f=0.15mm/r 、切削深度a p=0.4mm保持不变，分别测量不同切削速度下Vc=70、100、130、160、190m/min下表面粗糙度的大小，表面粗糙度随切削速度的变化规律曲线
在进给量、切削深度保持不变的情况下，表面粗糙度值随着切削速度升高而降低，在Vc=190m/min时获得了最优的表面质量，达到了设计指标要求。
3.5 新型刀具及冷却方式
新型刀具展望：
细晶粒、超细晶粒硬质合金以及涂层刀具材料的开发使硬质合金刀具的强度和韧性显著提高 ;
立方氮化硼（CBN）具有很高的硬度、热稳定性、化学稳定性，可作为难加工材料高速切削的首选;
陶瓷刀具适合于高速切削，可提高切削速度 3～5倍。陶瓷刀具的硬度可达到 HRC93～95，可加工HRC65的高硬度材料。陶瓷刀具加工镍基高温合金时，其性能远好于硬质合金刀具，不仅切削速度可以大幅提升，而且能更好地解决切削热不易排出的问题;
高压冷却方式：
高压冷却液喷射切削刀具，不仅起到了良好的润滑效果，而且提高了切削的折断能力，刀具寿命可以提高300%[5] 。
4 结束语
高温合金的研制与应用一直受到各国学者的高度重视和研究机构的支持，近年来高温合金材料在航空航天领域的广泛应用，其切削加工性的研究已成为切削研究的一个重要方向。本文经过大量切削试验，得出了加工GH4169常用刀具的选择、刀具切削参数以及提高表面粗糙的措施，可以为加工其他类型的高温合金材料提供借鉴。
参考文献：
[1]师昌绪，仲增墉.《中国高温合金五十年》[M]. 北京：冶金工业出版社，2006
[2]黄揆 《镍基高温合金机械加工性能分析研究》[J]. 机械工程师2010（6）：160-61
[3]孟少农主编 《机械加工工艺手册》 机械工业出版社 1992
[4]储继影 《高温合金加工刀具选择与工艺参数优化研究》哈尔滨工业大学 硕士学位论文 2016.6
[5]李录彬 《高压冷却下镍基高温合金GH4169切削特性及冷却润滑机理研究》哈尔滨理工大学 工学博士学位论文 2019.6
作者简介：米彦龙 ，机械工程及自动化专业，研究方向：工艺技术及工装设计
关键词： GH4169; 材料特性;切削加工性; 刀具磨损
1引言
高温合金又称为耐热合金，以铁、镍、钴为基，能在600℃ ～1200℃高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。本文以高温合金GH4169材料为研究对象，通过车削、铣削试验获得了最佳切削参数，并对刀具磨损进行了研究，分析了刀具磨损的影响因素，对影响加工表面质量的切削参数进行了优化，并对新型刀具及冷却方式进行了总结。
2 实验材料与方法
以航天某产品型号涡轮盘为例进行切削试验，涡轮盘由辐板、轮毂、安装边等部分组成。该涡轮盘是一个直径较大、结构复杂的典型盘件，在高温、高压、高转速的恶劣环境下工作，尺寸精度和技术要求很高，涡轮盘的材料为GH4169，其加工工艺性差;零件结构复杂、壁薄、刚性差，易变形。
生产工艺路线安排：毛料→粗车→稳定处理→精车基准→腐蚀检查→清洗→稳定处理→铣叶形槽→孔边抛光→去毛刺→加工投影检查试件→拉榫槽→榫槽尖边倒圆抛光→抛光型面→清洗→荧光检验→清洗→中间检验→喷丸→喷丸后磨加工修复→去毛刺→清洗→静平衡→清洗→最终检验→包装入库。
2.1 GH4169材料分析
GH4169含有这些高熔点元素﹑高激能合金元素，这些元素在合金中比较稳定，导致材料塑性变形的抗力大，使得切削加工时切削力较大，切削温度较高，而且GH4169的导热系数较低，约为钢的30%，加工时部位温度集中，可达1000℃。在高温下会增加刀具材料的扩散磨损，刀具材料变得脆弱，随着温度升高磨损会愈发严重。
2.2 实验加工设备
普通车床日本马扎克J1-MAZAK ，五轴数控加工中心 德玛吉DMU65;利用车床进行加工外圆及内孔，利用五轴数控加工中心加工叶形。
2.3 实验方法及刀具选择
此次实验中，采用的刀具及加工参数统计如下：
普车采用YG（钨钴类）车刀加工，大切深，高效的去除材料，刀具磨损极快，磨刀频繁。普通车床粗加工高温合金固溶材料，手工刃磨的YG类车刀，每刀吃刀量可达2.5mm，切削抗力基本达到机床极限，吃刀量累积7.5mm左右刀具会出现严重磨损和崩刃现象。
采用山特维克车刀进行加工，较YG6车刀，刀具寿命有所延长。
数控铣加工高温合金基本没有相应规格的专用涂层刀具，使用的刀具一般为普通整体式合金铣刀，刀具材料为K30、M42，合金刀具损耗对产品切深基本是1：1的比例，加工途中出现崩刃现象。
3 实验结果与分析
3.1刀具磨损分析
GH4169中含有高硬度的碳氢化物﹑相间化合物和氮化物，這些硬质点的磨损力很强。加工时切削温度很高，工件中的某些元素或化合物与刀具材料容易发生化学反应，导致冷焊和形成滞流层，在滞流层周期性脱落以后会带走一部分刀刃材料。另外，高温会加剧扩散磨损，使得刀具变得脆弱。由于切削温度高，周围介质中的H、O、N等元素易使刀具表面生成相间脆性相，使刀具表面产生裂纹，导致局部剥落、崩刃。
经过刀具磨损后进行晶相分析，硬质合金刀具前刀面与后刀面结合处出现月牙洼、粘结物、沟槽磨损。
3.2 形成强韧而连续的切屑和毛刺
在镍基高温合金切削时，当速度提高了以后，容易产生侧向塑性流动，外侧在刀具切削刃前端分裂成锯齿状侧向切削毛刺和切屑毛边。由于镍基GH4169合金塑性较高，形成的连续卷状切屑易缠绕刀具，造成刀具边界磨损。
3.3 加工硬化严重
GH4169金相组织上分析，合金中含有大量的强化相碳化物和合金间化合物溶于奥氏体固溶体中，从而使固溶体强化。切削过程中，由于切削热很高，这些强化相（碳化物或金属间化合物）从固溶体中分解出来，并呈极细的弥散相分布，使已加工表面产生冷作硬化，表面上的硬度比基体要高50%～100%。
3.4表面粗糙度分析
涡轮盘在高温高压环境下服役4，表面的微小凹坑往往是应力集中产生的多发处，凹坑过多会引起零件表面产生裂纹、降低零件疲劳强度、造成零件过早时效、缩短零件使用寿命，表面粗糙度值的大小常受切削用量、刀具、冷却条件等因素影响
本文实验中进行不同切削速度下单因素车削实验，而进给量f=0.15mm/r 、切削深度a p=0.4mm保持不变，分别测量不同切削速度下Vc=70、100、130、160、190m/min下表面粗糙度的大小，表面粗糙度随切削速度的变化规律曲线
在进给量、切削深度保持不变的情况下，表面粗糙度值随着切削速度升高而降低，在Vc=190m/min时获得了最优的表面质量，达到了设计指标要求。
3.5 新型刀具及冷却方式
新型刀具展望：
细晶粒、超细晶粒硬质合金以及涂层刀具材料的开发使硬质合金刀具的强度和韧性显著提高 ;
立方氮化硼（CBN）具有很高的硬度、热稳定性、化学稳定性，可作为难加工材料高速切削的首选;
陶瓷刀具适合于高速切削，可提高切削速度 3～5倍。陶瓷刀具的硬度可达到 HRC93～95，可加工HRC65的高硬度材料。陶瓷刀具加工镍基高温合金时，其性能远好于硬质合金刀具，不仅切削速度可以大幅提升，而且能更好地解决切削热不易排出的问题;
高压冷却方式：
高压冷却液喷射切削刀具，不仅起到了良好的润滑效果，而且提高了切削的折断能力，刀具寿命可以提高300%[5] 。
4 结束语
高温合金的研制与应用一直受到各国学者的高度重视和研究机构的支持，近年来高温合金材料在航空航天领域的广泛应用，其切削加工性的研究已成为切削研究的一个重要方向。本文经过大量切削试验，得出了加工GH4169常用刀具的选择、刀具切削参数以及提高表面粗糙的措施，可以为加工其他类型的高温合金材料提供借鉴。
参考文献：
[1]师昌绪，仲增墉.《中国高温合金五十年》[M]. 北京：冶金工业出版社，2006
[2]黄揆 《镍基高温合金机械加工性能分析研究》[J]. 机械工程师2010（6）：160-61
[3]孟少农主编 《机械加工工艺手册》 机械工业出版社 1992
[4]储继影 《高温合金加工刀具选择与工艺参数优化研究》哈尔滨工业大学 硕士学位论文 2016.6
[5]李录彬 《高压冷却下镍基高温合金GH4169切削特性及冷却润滑机理研究》哈尔滨理工大学 工学博士学位论文 2019.6
作者简介：米彦龙 ，机械工程及自动化专业，研究方向：工艺技术及工装设计