高溫合金下料的高效加工

高溫合金難加工的主要原因簡單地說可歸納為四個方面：一是材料高溫強度高，加工硬化傾向大，一般鎳基高溫合金的單位切削力比中碳合金鋼高50%；加工后工件表面層的加工硬化及殘留應力大，硬化程度可達200%～500%；二是導熱性差，它的導熱係數約為45鋼的1/5～1/2，故切削溫度高；三是對刀具的粘結傾向大，在對高溫合金加工時極易產生積屑瘤，使切削不穩定，從而影響了加工表面質量；四是強化元素含量高。在合金中形成大量研磨性很強的金屬碳化物，金屬間化合物等硬質點，對刀具有強烈的擦傷作用。

高溫合金的下料，是機械製造中的首道工序，傳統的下料工藝工序，一般是在卧式帶鋸床上採用環式雙金屬帶鋸條將棒料或不同截面的零件毛坯切斷(普通合金工具鋼和高速鋼帶鋸條無法進行高溫合金下料加工)。採用高性能高速鋼雙金屬帶鋸條(刃口材料為M42)來切割難加工的高溫合金，其切削效率低，壽命也極短，以切割一件直徑為130mm的鎳基高溫合金棒料為例(材料為GH4169)，採用M42雙金屬鋸條一般一件下料的時間約為8～10小時，而且一根鋸條的壽命也只能下一件，后我們選用了一種優質超硬型雙金屬帶鋸條(牌號為M51)，用該鋸條對同規格、同材質的高溫合金棒料下料加工，其結果是在刀具切削效率和壽命方面都略有提高，但提高的幅度僅在15%～20%之間(該鋸條切削刃處的硬度為67～69HRC)，我們認為用這種材質和類型的帶鋸條加工高溫合金不能滿足生產的要求，為此我們經過多種方案比較，后選用了具有高硬度的硬質合金帶鋸條，經過試驗和實踐應用，的確，硬質合金帶鋸條在對高溫合金下料加工中取得了明顯的效果，滿足了生產進度的要求。

硬質合金帶鋸條的設計與選擇

硬質合金帶鋸條有不同的材質和結構，在實踐應用中我們發現不是任何一種硬質合金帶鋸條在對高溫合金下料加工中，都能收到良好的效果，只有在選擇合理、使用得當的情況下才能獲得理想的結果。為此我們對帶鋸條的結構、齒型形式、材料和切削用量的合理選取等四方面進行了選取和對比，其情況如下：

刀具結構
硬質合金帶鋸條，一般都採用鑲齒焊接式結構，硬質合金帶鋸條齒尖具有高硬度、高耐磨性，和高耐疲勞性的優點，但其主要缺點是性脆、強度低、不耐衝擊。在對高溫合金下料時，刀具結構選取除要考慮材料的特性外，其主要的選取原則還應根據高溫合金的難加工性，考慮到被加工零件毛坯的形狀和對加工的主要要求(如切削以提高鋸切效率為主，還是以提高壽命為主)來確定帶鋸條的結構選取是採用粗齒還是細齒，是等齒距還是變齒距。經過試驗應用對比(特別是根據其最後鋸切下料數據對比結果)，我們認為對高溫合金下料的帶鋸條，其結構以選用粗齒和變齒距的硬質合金帶鋸條為佳，其原因我們認為，在對高溫合金鋸切下料時(特別是鎳基高溫合金)切屑的粘附性很強，切屑不易順利排出，積屑瘤的時生時滅易使刀刃崩刃、刀具后刀面磨損加劇，選用粗齒不但刀刃強度增加，同時也可使容屑空間增大，便於選用較大進給速度提高切削效率；變齒距的採用則可降低切割噪音並使振動減小，切削時也更加平穩，這樣有利於刀具耐用度的提高。變齒距帶鋸條的結構簡圖可見圖1。
刀具齒型形式的選取
帶鋸條的齒型形式常用的有標準齒、勾型齒和梯型齒，型式見圖2。
1. 標準齒 切削前角g=0°,齒面垂直於基體，齒槽深而窄。
2. 勾型齒 切削前角g=5°～10°,齒槽深而寬。
3. 梯型齒 切削前角g=10°～15°,后角a=6°～8°刀齒強度高，適於強力切削。
對高溫合金材料的加工，帶鋸條除選用高強度的硬質合金材料外，齒型的選用也十分重要，梯型齒具有足夠的強度，切削時不易崩刃，由於前角較大，抗力也較標準直齒小，通過實踐驗證也證明了選用梯型齒相對於其它兩種齒型的切削效果為好。
刀具材料牌號的確定
適用於對高溫合金材料切削加工的硬質合金牌號主要有兩類，即ISO標準中的M類和K類(現推薦為S類)，從鋸切對比試驗的結果來看，兩類刀具牌號在切削效率上的提高，相差不大，但在鋸切使用壽命上，相當於M15-M30牌號材質的帶鋸條要比相當於K05-K20牌號的帶鋸條提高15%～20%(加工相同規格牌號的高溫合金)。
切削用量的合理選取
高溫合金的下料，切削用量的合理選取，起著至關重要的作用，合理的切削用量能保證工件正常的下料，保證切削效率和壽命的顯著提高，同時還減小下料時由於刀具和工件的切屑粘結、摩擦產生的刺耳噪音，對我們下料的各類鎳基高溫合金牌號試驗應用結果來看(進行效率和壽命綜合考慮)合理切削用量的選取為：
- 切削線速度為15～20m/min
- 進給速度(材料去除率)為6～8cm²/min
上述切削用量，是我們經過長時間試驗應用得出的，具有一定的經濟性。通過上述四方面工作，採用硬質合金帶鋸條加工高溫合金，在哈爾濱汽輪機廠取得了明顯的經濟效果：經試驗、應用多項數據結果對比，現採用的硬質合金帶鋸條和原用雙金屬帶鋸條加工高溫合金相比，切削效率可提高5～8倍，如加工毛坯尺寸為140×245的GH4169鎳基高溫合金，原用M42雙金屬鋸條下料，下一件料約需6～8小時，而現用選定的硬質合金帶鋸條加工高溫合金，一件工件的下料時間僅為1小時左右，同時更突出的是刀具壽命的提高，在對上述牌號和規格的高溫合金毛坯加工時，原用M42雙金屬鋸條，一根鋸條僅能下一件，而現採用的硬質合金帶鋸條，一般一根帶鋸條可下料20～24件，(在切削用量選擇合理、操作得當的情況下，一根帶鋸條還可以下料40～50件)雖然現用硬質合金帶鋸條的價格要比雙金屬鋸條高5倍左右，但從性價比和綜合經濟效益來說(特別是通過上述典型例的對比)，採用硬質合金帶鋸條來加工高溫合金是非常合算的，它達到並實現了低成本、高壽命、高效加工的目的。

硬質合金帶鋸條的使用

採用硬質合金帶鋸條對高溫合金材料進行鋸切下料，雖然是一種高效和理想的工藝手段，但如使用不當，帶鋸條的齒將急劇磨損甚至造成鋸帶斷裂，這樣不但達不到預期效果，甚至還會造成較大的損失，因此正確使用硬質合金帶鋸條是一件十分重要的事。帶鋸條使用時應有嚴格的要求，其具體要求主要在下述三方面：

對機床的要求：
1. 鋸床的剛性要好，並有一定精度，能滿足硬質合金帶鋸條平穩加工的要求；
2. 根據工件直徑(切削麵積)的大小合理選取不同功率、規格的鋸床；
3. 機床有良好的清屑、冷卻和鋸條導向裝置的配置。
對操作使用的要求：
1. 工件夾緊要牢靠，夾緊后要檢查夾緊點(面)是否在工件的中上部，以保證加工時的穩定性；
2. 帶鋸條的磨合：新帶鋸條必須經過磨合后才能進行正常切削，以免過早引起鋸齒損壞。齒尖經過跑合過程后，才能有正常的磨損，沒有經過跑合將導致齒尖過早破壞。磨合期間的進給量為帶速正常進給量的20%～30%。
3. 張緊力的選擇：過大的張緊力會造成鋸帶斷裂；張緊力不足，會損壞鋸帶或導致切斜，採用硬質合金帶鋸時，張緊力務必調到2200～2500kg/cm²。
4. 切削時的冷卻和切屑沖洗：採用硬質合金帶鋸對高溫合金材料下料時，為降低切削溫度，減小切削阻力和延長帶鋸使用壽命，鋸切時必須連續澆注水劑極壓切削液，同時，鋸切產生的切屑，應採用鐵刷同步清洗乾淨。
切削用量的合理選擇
對高溫合金毛坯料的下料，切削用量是否選擇合理，將直接保證鋸切的正常進行，同時合理的切削用量還將獲得較高的切削效率和刀具壽命，由於高溫合金材料切削性能很差，所以切削用量相對於其他合金鋼材料來說，要低得多，實踐證明，採用上述舉例推薦的切削用量是較為合理的，如進給速度(材料去除率)選用過低，則刀具后刀面磨損將會加大，而如再加大切削速度和進給速度，也會使切削力增大，並使排屑槽堵屑，從而引起崩刃和刀具壽命的降低。