銑削↓磨削 長25mm，銑刀總長100mm，柄部直徑Ø6mm，直柄
磨削 直徑Ø4mm、長6mm的圓柱形氧化鋁砂輪(鉻剛玉)，等級RA120，柄部直徑Ø3mm 188 333 0.05 工件材料：In718鎳基高溫合金 冷卻液：濃度為9%的乳化液，壓力30Bar 圖1 異形孔的截面形狀與尺寸 圖2 采用不同工藝獲得的異形孔表面粗糙度 1. 分別采用工具顯微鏡和圖像采集系統(tǒng)測量銑刀和砂輪的磨損，記錄磨損形貌。用Taylor-HobsonSurtronic 3p型表面 粗糙度儀沿異形孔的軸線方向測量孔的表面粗糙度Ra。 2. 結(jié)果與分析 a. 對三種加工工藝過程獲得的異形孔表面粗糙度進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示：在三種工藝過程中，采用鉆削→銑削→ 磨削(鉆削加工Ø6mm圓孔→低用量銑削加工異形孔→磨削異形孔)工藝所獲得的異形孔的表面粗糙度zui小，而鉆削→磨削(鉆削加工Ø6mm圓孔→磨削異形孔)工藝所獲得的異形孔表面粗糙度zui大。試驗證明：在該試驗條件下采用銑削加工也能獲得滿足表面粗糙度要求的異形孔；鉆孔后磨削加工比鉆孔后銑削加工所獲得的異形孔表面粗糙度精度低；銑削后再進(jìn)行磨削加工可在一定程度上提高異形孔加工的表面粗糙度精度，但會增加成本，降低效率。 b. 不同加工條件下的銑刀磨損和破損情況：在鉆削→銑削過程中，銑削1個孔后，兩把銑刀的轉(zhuǎn)角處均產(chǎn)生了嚴(yán)重的 溝槽磨損和破損。采用低切削用量銑削異形孔時(v=52m/min，f=333mm/min)，銑刀產(chǎn)生比較明顯的破損(見圖3a)；而用高切削用量銑削異形孔時(v=104m/min，f=666mm/min)，銑刀的溝槽磨損更為顯著(見圖3b)無錫國勁合金有限公司。
(a)銑削孔1的銑刀 (b)銑削孔2的銑刀 圖3 銑刀的磨損、破損形貌(銑削1個孔后) 3. 由于In718鎳基高溫合金在切削加工中極易產(chǎn)生加工硬化，合金中的?'、?"強(qiáng)化相以及WC、WN等硬質(zhì)相在高溫下 仍然保持著高硬度并高速刻化道具的刀面和刀刃，導(dǎo)致道具產(chǎn)生溝槽磨損。此外，鎳基高溫合金在切削時極易產(chǎn)生側(cè)向塑性流動并在道具刃口處分離而產(chǎn)生鋸齒狀切屑毛邊和工件飛邊。這些毛邊和飛邊高速、高頻沖擊道具，在周期性熱應(yīng)力作用下導(dǎo)致道具產(chǎn)生微小裂紋和剝落。而在進(jìn)行高用量銑削時，切削區(qū)產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致銑刀嚴(yán)重磨損和破損，增大了異形孔的加工表面粗糙度。 4. 從試驗可知：采用氧化鋁砂輪磨削In718鎳基高溫合金時，砂輪迅速磨損，磨削1個異形孔后，砂輪成圓錐形，表 面有嚴(yán)重的粘附物(見圖4)。這是因為磨削鎳基高溫合金時具有磨削力大、磨削溫度高等特點(diǎn)，在較高的磨削溫度和較大的法向力作用下，磨削區(qū)的被磨材料產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形并粘附在磨粒表面，而這種變形和粘附導(dǎo)致磨削力進(jìn)一步增大，隨著粘附物在剪切力的作用下脫落，使砂輪磨粒發(fā)生破損甚至脫落而過早喪失切削能力，致使工件表面粗糙度增大(甚至大于銑削加工的工件表面粗糙度)。 綜上所述，根據(jù)對上述三種工藝加工In718鎳基高溫合金工件異形孔的加工效率和加工效果的比較分析，用鉆削→銑削加工工藝代替電火花法加工鎳基高溫合金工件異形孔是可行的。 圖4 磨削1個異形孔后砂輪的磨損形貌 圖5 被加工工件異形孔示意圖 3 鉆削→銑削加工鎳基高溫合金異形孔 無錫國勁合金有限公司
a. 工件與材料： 工件材料為Waspaloy鎳鉻高溫合金(硬度38HRC)，主要成分見表2。
表2 Waspaloy鎳鉻高溫合金的化學(xué)成分 元素 Ni Cr Al Ti Fe Zr Mo Co C B 含量(wt.%) 57 19.5 1.4 3 1 0.7 4.3 13 0.05 0.01 渦輪盤上的異形孔是深度為19mm的15°斜孔，孔頂部為弧面。銑削試驗時，為了模擬渦輪盤上異形孔的加工過程，將試件加工成與底面成15°斜度的弧面，孔深19mm(見圖5)，五個工件為一個試驗組。 b. 加工與檢測： 異形孔加工工序包括：①銑Ø6mm中心孔平面；②鉆削加工Ø6mm的圓孔；③銑削加工異形孔(加工條件見表3)。 測量銑刀磨損和異形孔表面粗糙度；采用三坐標(biāo)測量儀(測頭直徑為Ø2mm)分別在孔深3mm、6mm、9mm、12mm和15mm的位置測量異形孔的尺寸和輪廓變化；測量試驗組*個和zui后一個異形孔加工表面的顯微硬度，以便進(jìn)行異形孔加工硬化程度的研究。無錫國勁合金有限公司
表3 鉆削→銑削加工條件 加工工序 道具 切削參數(shù) 切削時 間 (min/孔) 切削速 度 (m/min) 進(jìn)給量 (mm/min) 切削深 度 (mm) 銑Ø6mm中心孔平面 Ø6mm硬質(zhì)合金銑刀 18 47 3 1.3 鉆削Ø6mm孔 Ø6mm硬質(zhì)合金涂層鉆頭 18 47 - 0.63 銑削異形孔 Ø4mm多層PVD涂層(TiAlN，TiCN，TiN)端銑刀，2刃，刃長 19mm，銑刀總長75mm，柄部 Ø6mm，直柄 25 200 0.1 7.58 冷卻液：濃度9%的乳化液，壓力30Bar 2. 試驗結(jié)果與討論 a. 幾何精度 根據(jù)三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果(如圖6所示)，銑削加工的所有異形孔尺寸沿軸向深度方向減小，異形孔的軸向呈錐形，zui大錐度為0.19°，說明在X、Y方向異形孔的尺寸隨銑刀磨損而明顯減小。 無錫國勁合金有限公司
(a) X方向 (b) Y方向 圖6 銑削加工的異形孔實際尺寸 1. a. 對照某公司的D型異形孔尺寸公差(X方向：7.65～8.25mm；Y方向：6.35～6.85mm)，銑削試驗組5個孔的尺寸變 化均在該公差范圍之內(nèi)，符合加工精度要求。 b. 表面粗糙度 如圖7所示，采用2刃涂層銑刀加工的異形孔表面粗糙度Ra和Rz分別在0.30～0.40µm和2.3～3.64µm范圍內(nèi)變化；隨銑削時間的增加即銑刀磨損的加大，工件表面粗糙度Rz呈增大的趨勢。 由此可見，若采用四刃涂層硬質(zhì)合金銑刀，同時進(jìn)一步優(yōu)化銑削參數(shù)以減少道具磨損，可望直接獲得滿足表面粗糙度要求的異形孔，省去后續(xù)精加工工序，降低成本，提高加工效率。 c. 加工表面顯微硬度 圖8為同一銑刀銑削的五個異形孔中的*和zui后一個孔的加工表面顯微硬度的變化情況。如圖8所示，兩個異形孔均出現(xiàn)了加工表層軟化現(xiàn)象(厚度約為60µm)，其顯微硬度甚至低于基體硬度。隨著次表層顯微硬度的增加，當(dāng)深度達(dá)到約140µm～180µm時，基體硬度恢復(fù)。表層軟化現(xiàn)象可能與導(dǎo)熱性差的鎳基高溫合金加工表層的塑性變形大、溫度高有關(guān)。無錫國勁合金有限公司 隨著銑刀的磨損，切削區(qū)溫度升高，異形孔被加工表面軟化、硬化現(xiàn)象更明顯。
d. 銑削加工效率 在本試驗條件下(見表3)，銑削異形孔中心平面、鉆削中心孔和銑削異形孔三道工序的加工時間分別為1.3min、0.63min和7.58min，加上銑削異形孔兩端圓弧倒角的工時，一個異形孔的總加工時間約為17分鐘。而過去采用電火花和磨料射流兩道工序加工相同的零件，工序時間分別約為40min和6min，總工時為46分鐘。經(jīng)過對比，本試驗采用的銑削加工工藝可減少58%的加工時間，而且所有工序可在加工中心上一次裝夾完成，輔助時間少，大大節(jié)省總工時。 2. 由于銑削加工所產(chǎn)生的材料變質(zhì)層厚度遠(yuǎn)小 于電火花加工所產(chǎn)生的燒傷層厚度，即使在銑削加工工序之后增加磨料水射流加工工序以提高加工表面的完整性，也可使磨料水射流加工的工時大大縮短。 4 結(jié)論 1. 通過渦輪盤異形孔的加工工藝試驗對比，采 用鉆削→低用量銑削→磨削工藝所獲得的異 形孔表面粗糙度zui小，而鉆削→磨削工藝加工的異形孔表面粗糙度zui大。 2. 采用鉆削→銑削工藝加工鎳基高溫合金渦輪盤的異形孔可滿足工件幾何精度和表面粗糙度要求；與采用電火花→磨 料射流工藝相比，可顯著減少加工時間。 3. 在保證加工精度的前提下，通過優(yōu)化切削參數(shù)，可進(jìn)一步提高采用鉆削→銑削工藝的加工效率無錫國勁合金有限公司
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