冷风条件下车削高温合金的性能
2021-03-31
东方汽轮机有限公司 邹伟文1.1 刘光耀1.2
重庆成田低温加工技术有限公司 张昌义2.1 杨 伦2.2
摘要:从生产现场采集的数据证明:用低温冷风直接喷吹刀具切削点,与在常温下湿式车削和不用切削剂干车削GH901高温合金相比较,使用冷风车削方法不仅刀具的耐用度有成倍提高,而且,加工表面质量也有明显的改善。
关鍵词:冷风切削 清洁加工 绿色制造 干式切削 亚干式切削 不锈钢加工
1.引言
高温合金:又称为热强合金、耐热合金或超合金,它由许多高价值、高性能的金属元素组成,在600~1000℃的高温氧化氛围和燃气腐蚀条件下工作,仍具有很高的高温强度、热疲劳强度及热稳定性能。为了压缩空间,人们对装备体积的要求日趋严格,体积小重量轻已经成为一种趋势;另一方面,随着用户对产品品质要求的不断提高以及航空、航天、军事工业发展的需求大增,高温合金材料的应用范围也越来越广。在电站设备制造行业,市场需求正在扩大的高参数汽轮机及燃机产品,采用高温合金制作高温零部件,大幅度地提高了电站设备的品质,满足了装备高温、高强度、长工作寿命的需要。
高温合金钢按其化学成分有Fe基、Ni基、Co基3种,并含有许多高熔点合金元素,它们与其他合金构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。有些元素又与非金属元素C、N、O等结合成比重小,熔点高的高硬度化合物,还能形成一些具有一定韧性的高硬度的金属间化合物,同时有些合金元素进入固溶体,使基体强化。高温合金经长期时效后,又能从固溶体中析出硬质相,进一步使晶格歪扭,这不仅增大了塑性变形阻力,而且由于硬质颗粒的存在,加剧了刀具的磨损。高温合金钢的加工有如下特性:
强度较高又由于抵抗塑性变形的能力强,所以切削力很大。
硬度较高,尤其高温硬度高于其他金属材料,加工时由于塑性变形而进一步硬化。
导热系数小,只为45钢的1/3~1/4。
合金中的高硬度化合物构成硬质点,进一步加剧刀具的磨损。
在中、低切削速度下,易与刀具发生冷焊。在高温下又使刀具发生剧烈的扩散磨损。若普通45号钢的切削性能按100%计算,高温合金切削加工性仅为30%~50%。可以说高温合金是金属材料中切削性能最差的材料类型之一。为了提高其切削效率,我们采用了冷风切削技术进行高温合金GH901的切削性能研究,并取得了显箸的效果:在不使用任何切削油剂的情况下,刀具使用寿命有数倍的延长,加工效率大大提高。
2.切削相关条件
机床条件
机床型号:数控中车CAK6163 生产厂家:安阳机床厂
卡盘直径:Φ630 最大功率:15KW
刀具条件
可转位车刀:刀体型号 RCLNR3232-P12
刀片型号 CNMG120408-MT TT5030(进口)
冷却条件及配置
自然冷却:环境温度 23 ℃
冷风冷却:使用CTL-50/2型冷风射流机输出的冷风直接喷吹刀刃。
车间气源条件:
压力 0.4Mpa 供气温度: -23 ℃
含水量: 65g/m3 含油量: 0.15mg/m3
CTL CTL-50/ 2型冷风射流机额定条件:
额定出口温度 -50℃ 额定出口风量 2..0 Nm3/min
CTL-50/2型冷风射流机实测情况
实测输出口温度 -58℃(±2℃) 实测冷风喷嘴出口温度 -46℃(±2℃)
保温管长度 10m, 输送过程温度损耗 -12℃(±2℃)
CTL-50/ 2型冷风射流机的安装结构布置如图2。由于车间压缩空气源管路很长(超过1KM),压缩空气中的水份很多,还有部分油渍和锈块,如果在零下几十度的温度下,水份将凝结成冰并堵塞管路。为了确保供气质量,我们在冷风射流机的气源输入口与车间压缩空气配气管接头之间配置了油、水分离器。油、水分离器的出口与CTL-50/2 型冷风射流机的供气口接通,CTL-50/2型冷风射流机的低温气体输出口有一快御管接头与金属保温管连接,金属保温管的另一端与冷风喷嘴连接,使喷嘴正对刀刃并夹持在刀架上,开机后,几分钟内,刀刃附近就出现明显的结霜现象,12分钟后,面版上的温度显示器显示温度为-50℃,受车间气源波动影响,有±2℃的温度波动,实测冷风机初始温度在-46℃左右。由于保温管输送距离较长(约15米),温度损失较大,我们对输送管道进行了保温改进,温度损失由2℃/1M下降到1℃/1M以内。最后输送温度损耗了-12℃左右。
在应用过程中,为了达到最理想的冷却效果,在不影响排屑效果的前提下,一定要保证冷风喷射口与刀刃间有最小的距离,在大中型机床上,喷射口与刀刃间有最小的距离诮在30毫米左右。
工件条件
工件名称:高温合金轴类件
工件材料:高温合金GH901
加工要求:外圆精车Φ135
3. 冷风车削与常温车削的对比效果
为了便于说明,我们通过三种不同的冷却润滑方式进行比较,一是在常温条件下采用干式切削加工,二是在常温条件下采用进口水基切削液车削,三是向切削点喷射-46℃左右的冷风车削
切削参数:n=30m/min,ap=2.0mm,F=0.18mm/rev.
结果是:在不使用任何切削液的情况下,使用冷风直接喷吹刀具切削点,涂层车刀片可连续切削长度是1200mm。而采用原进口水基切削液(型号SC210)车削的连续切削长度仅660 mm。刀具寿命为此提高了80%。而采用干式切削刀具切削长度仅80 mm。
图4 两种切削的刀片磨损对比 图5 两种切削的表面质量对比
从刀片刃部磨损情况来看,采用冷风切削的刀片刃口磨损状态较正常,有很轻的积屑瘤现象。而采用进口水基切削液车削时,刀片刃口产生了较重的缺口磨损。见图4所示。
从加工表面质量看:常温下车削时,加工表面粗糙度明显偏高,出现显箸的规律性波纹和无规律性划伤现象,采用数显表面粗糙度仪检查,Ra1.8~2.4。使用冷风后,加工表面粗糙度显著降低,规律性波纹基本消失,无规律性划伤完全消失。采用数显表面粗糙度仪检查,Ra1.2~1.6。
在干式切削条件下,刀尖很快产生红色的切屑流,用红外线温度仪检测(动态下只能作定性参考)切削区温度仅为200℃,采用水基液切削过程中,刀尖时常产生火花现象,刀尖温度检测较难。在低温冷风切削中用红外线温度仪检测,切削区温度仅为70℃,整个切削过程没有产生切削火花现象。
4.结论
通过以上切削实践可以对用冷风切削技术在车削高温合金GH901环的工艺得出如下结论:
1. 流体与固体壁间的换热称为对流换热。在600℃以上的高温合金切削区和零下40℃左右的冷空气间产生很强热对流现象。两面公式告诉我们固体介质温度(tw)和流体介质温度(tf)之间的温差越大,热量传递越快。强热对流使切削点保持低温化,一方面,积屑瘤的生存条件受到抑制,有利于提高加工表面质量;另一方面,因切削温升引起的刀具磨损也得以缓解;因此,刀具的耐用度有成倍提高。
对流换热公式:
2. 高温合金切削时较强塑性变形及与刀具与材料间的摩擦力大,产生的切削温升很高;而且高温合金的导热系数很低,大量切削热都集中在切削区和刀~屑接触的界面上,散热条件极差。在通常情况下,切削高温合金的切削区温度可高达600~1000℃。使用低温冷风后,切削区在强低温气流作用下,刀具的切削温升明显降低,材料的脆性加大,工件的断屑性能有所提高;材料自身的粘度降低,切削热堆集现象得到缓解;使得切削力下降,刀具的耐用度得到延长,切削缠绕现象有所缓解,加工表面质量也得到提高。
3. 从以上切削试验数据可以知道,冷风切削、湿式切削、干式切削高温合金GH901的切削长度分别是1200mm、660mm、80mm。刀具寿命比是:15:8.25:1
4. 本文数据是在完全不使用润滑油的情况下进行的冷风切削试验研究成果,从原理上讲,如果在低温空气中混入非常微量的润滑剂,以提高切削点的润滑性,效果将会更好。这一点,已在我公司的大型车床的生产实践中推广应用冷风切削切削技术一年后已得到证实。
参考文献
不锈钢的切削加工性 山东大学 王继梅 刘战强 佳工机电网
难加工材料切削加工 韩荣第、于启勋 机械工业出版社,1996年。
環境にやさしく能率を倍加すゐ冷風旋削·ドリル·タツブ加工 横川和彦 横川宗彦
机械技术 1999 vol.47 (5).5-12
冷風ドじツシングが冷風研削に及ぼす影响 橫川和彦 奥村成史
机械技术1998 vol.46 (13).12-17
作者筒介: 1. 邹伟文(1955年) 东方电气集团东方汽轮机有限公司 总工艺师
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