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能源行业高温合金零件的切削加工
作者: 发布日期:2018-01-03 关注次数:23 二维码分享

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  成都高温合金从高温、具有腐蚀性和其他条件恶劣的地质环境中开采石油和天然气(如通过水力压裂法或深海钻探开采油气)正在帮助美国实现能源自给。但是,这就要求用于完成这项工作的金属零部件具有很高的强度。例如,水力压裂设备要在深入地下7英里以上的地层中工作,在那里,设备承受的压力高达25,000psi(1,724巴),温度高达260℃。此外,由于从深井中开采出的“酸性”原油含硫量很高,因此具有极强的腐蚀性。在能源行业,即使是用于地面设施的零部件,也需要承受足以使传统金属材料失效的高压力。因此,涡轮叶片、转子、阀体、歧管、泵用零件、叶片以及许多其他能源零部件的设计者转而求助于一些新型材料,主要是耐热超级合金(HRSA)。

  设计者采用能耐受高温、腐蚀和摩擦磨损的高温合金来制造能源零部件。有一些精密零部件(如发电机或涡轮系统的零部件)用于正常的工作环境,而另一些零部件(如深井钻探系统的零部件)则需要在极端条件下工作。

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  图1 石油开采

  高温合金主要分为三类:镍基合金、钴基合金和铁基合金。根据山特维克可乐满白皮书,镍基高温合金的使用最为广泛,常见类型包括Inconel 718、Waspaloy合金和Hastelloy X合金。钴基高温合金(如Haynes 25、Stellite 31合金)与镍基合金类似,在高温下具有优异的抗蠕变性和耐腐蚀性,但价格更昂贵,也更难以加工。由奥氏体不锈钢发展而来的铁基高温合金(如Inconel 909)具有很小的热胀系数,但其高温强度在这三类合金中最低。

  高温合金(如双相合金Inconel 718和超级双相合金Inconel 625)还具有良好的防磁性、耐磨性和高屈服强度,并适用于需要耐腐蚀的密封表面。这些零部件用于各种极端环境,而高温合金有助于保持这些产品的完整性。

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  图2 涡轮叶片

  高温合金的可切削性

  高温合金适用于极端环境的结构特点也使其比常规金属材料加工难度大得多。例如,虽然镍基合金能有效地抵御高温,但由于粘性较大,降低了其可切削性,并增大了产生积屑瘤的风险。用于能源和其他一些行业的高温合金大部分是镍基合金,但也有一部分钴基合金,铁基合金则相对较少。此外,加工具有高屈服强度的镍基合金时,会产生大量切削热,从而进一步增大加工难度。

  许多属于高温合金范畴的金属中都包含有不同比例的各种合金元素(可多达10种以上,如属于同一类合金的铬、钼、钨和钛),这意味着即使在同一类高温合金中,加工参数和可切削性也可能大相径庭。每种材料自身的特性都会给制造工艺带来一系列难题,加工每种材料的切削速度、进给量和切削深度都可能完全不同。

  即使是同一种高温合金材料,其可切削性也会有所不同,主要取决于它是否经过热处理或固溶硬化处理,以及毛坯的制造方式,包括锻件、铸件和棒料。

  铸件通常具有硬度较高的粗糙表面,从而降低了其可切削性,并可能导致刀具发生刻划磨损。棒料是三种毛坯形式中最容易加工的一种,不会对刀具造成严重的刻划磨损。而锻件的晶粒更细,因此强度比铸件更高。此外,由于锻造工艺对材料的内部结构进行了“锤打”,因此在切削加工锻件时,工件材料容易移动让刀。

  切屑减薄

  当刀具的刻划磨损成为一个亟需解决的问题时,在粗加工时采用切屑减薄技术可能有助于减小刀具切深部位的刻划磨损。从本质上说,切屑减薄效应就是利用刀具的前倾角,增大切屑在刀片上的分布区域,从而有效降低刀具承受的切削压力。

  切屑减薄效应除了有助于减小刀具刻划磨损以外,在许多情况下还可以提高金属去除率,因为要保持适当的切屑厚度,就必须提高进给速度。

  零件制造商在加工钢等其他材料时,可以大幅提高进给速度,但在加工高温合金时,虽然也可以获得提高进给速度的额外好处,但其幅度有限,因为高温合金耐受极端条件的能力会使其开始反弹。

  除了会引起刀具的刻划磨损以外,高温合金材料还具有加工硬化倾向。这就要求在加工此类材料(尤其是锻件)时,应采用较低的切削速度。高温合金的表面切削速度约为23-45m/min。切削速度太快会产生大量切削热,从而对刀具造成损害,并有可能引起工件材料的加工硬化。在需要对工件进行多次走刀加工的情况下,工件表面的加工硬化将使在本就难以加工的材料中每次后续走刀都变得更具挑战性。这种多次走刀会迅速缩短刀具寿命。

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  图3 三菱材料公司的iMX可换头式立铣刀

  三菱材料公司的iMX可换头式立铣刀适合加工高温合金(如Inconel 718),该刀具的刀头和刀体均用硬质合金制成。三菱材料公司建议,在制造用于能源及其他一些行业的高温合金零部件时,将切削参数比切削合金钢(如4130钢和4140钢)时降低4-6倍来减少热量的产生,防止加工硬化,提高加工的有效性。虽然在高温合金的精加工中,切削参数的降幅可稍小一些,但在粗车高温合金时,应将表面切削速度降低75%—80%。在一般的粗加工中,将进给速度降低30%的情况相当常见。

  剥铣技术可能是解决高温合金加工难题的一种有效手段(取决于加工条件)。剥铣加工时,铣削刀具(如立铣刀)并不像常规粗铣时那样处于全吃刀状态,而是以更高的切削速度和进给速度及更小的切屑负荷进行铣削。虽然径向吃刀量很小,但进给速度很快。可以通过使用多刃铣刀来保持较高的进给速度。

  刀具开发

  铣削高温合金时,使用多刃铣刀可以分担切削负荷,同时可以采用较小的吃刀量进行加工。例如,Superior Tool Service公司公司为了实现Inconel合金冲压件的高效修形加工,生产了一种直径9.5mm的硬质合金10刃立铣刀。

  切削加工高温合金时,采用耐热和耐磨涂层(如AlTiN和AlCrN涂层),并在刀具涂层中添加一些特定的添加剂(如SiO2)来提高刀具的耐磨性和使用寿命,增强其润滑性和热稳定性。

  在切削加工用于能源行业的高温合金零部件时,采用合适的刀具基体也至关重要。最好选用具有微细晶粒结构的硬质合金基体,以提供在恶劣加工条件下所需的高硬度和高耐磨性。涂层硬质合金通过提高基体的整体性能,可以增大切削参数和延长刀具寿命,从而进一步提高生产率。涂层可进一步提高刀片的耐磨性和润滑性,使切屑能更顺畅地流过刀片。

  晶须增强陶瓷也是一种非常有效的刀具基体材料,尤其在连续切削高温合金时,因为这种刀具材料能长时间耐受切削高温。对于断续切削,采用合适的晶须陶瓷牌号并进行适当的刃口制备将获得更理想的加工效果。另一种可供选择的基体材料是Sialon陶瓷,也能耐受切削高温,但与晶须陶瓷相比,其坚持的时间要短一些,适用的切削速度也较低。

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  图4 Greenleaf公司的WG-600涂层晶须增强陶瓷刀片

  陶瓷刀具对于高温合金的粗加工非常有效。不过,在加工某些零部件时(如在合金钢主体上嵌入或焊接了高温合金的零部件),最好避免用陶瓷刀具同时切削两种金属材料,而应改用硬质合金刀具。这是因为在此类加工中,当陶瓷刀具接触基底金属时,会受到很大的冲击,导致刀具过早磨损。与硬质合金刀具相比,晶须增强陶瓷刀片在加工高温合金时切削速度更快,耐磨性和耐高温性能更好。

  夹持技术

  刀具夹头是加工能源零部件刀具解决方案的另一个重要的组成部分。在加工高温合金时,其用户经常使用Bilz公司生产的ThermoGrip热装夹头,因为这种夹头能提供很大的夹持力、很高的刀具中心线位置精度和很小的总跳动误差(TIR)。如果刀具位置实际上是沿主轴中心线直至刀尖,就不会产生径向跳动。在刀具悬伸长度为6倍直径处,最小TIR仅为3µm,从而可使每个刀槽的切削刃都能参与切削,而不会使某一个或某几个切削刃的加工负荷大于其他切削刃,以确保每个切削刃的磨损均匀一致。

  加工高温合金时,零件制造商常常采用热装夹头,因为它们能提供很大的夹紧力、很高的刀具中心线定位精度和很小的径跳误差。

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  图5 热装夹头

  冷却方式

  适合能源行业高温合金零部件加工的另一种Bilz产品是JetSleeve冷却系统。该系统由一个覆盖在热装夹头外部的铝制套筒构成,套筒前部策略性地分布着一些冷却液孔。系统的结构设计可利用冷却液的压力在套筒内形成“龙卷风效应”,将冷却液、空气或润滑油直接输送到刀具切削刃处。据该公司介绍,JetSleeve系统可将冷却液对刀具切削刃的覆盖能力提高90%以上,从而大幅延长刀具寿命,并能显著提高刀具的加工表面光洁度(可参阅本刊2013年第3期P30对该系统的介绍——译注)。

  在今后几十年中,随着最小量润滑(MQL)、低温切削和干式切削技术的不断发展和普及应用,冷却液的使用不仅会大幅减少,而且还可能基本上停止使用。他指出,虽然在切削加工大多数高硬度、高弹性的金属材料时,切削油是最有效的切削液,但由于它具有易燃性和对环境有害,因此零件制造商倾向于使用更环保的水基冷却液。

  在连续切削高温合金时,最好还是要使用冷却液。而在断续切削时(如用晶须增强陶瓷刀片铣削高温合金),则可利用压缩空气来清除切屑和冷却刀具/工件界面。这是因为在断续切削时使用冷却液,可能会使陶瓷刀片在切入和切出产生高温的切削区时受到剧烈的热冲击,从而缩短刀具寿命。

  此外,大幅减少冷却液用量还可以提高切削加工质量。例如,Unist公司介绍说,其用户之一在Hydmech机床上用Lenox双金属锯片锯切直径76.2mm的Inconel合金棒料时,用大量冷却液进行浇注式冷却,结果导致严重的颤振,棒料边缘出现了较大毛刺,且锯片寿命仅为5天。然而,当该用户安装了一套Unist的最小量润滑系统,并使用Coolube 2210EP润滑剂进行MQL加工后,锯切质量和锯片寿命均大幅提高(见图4)。

  以浇注冷却方式锯切Inconel棒料时,会产生较大颤振,并在棒料边缘形成毛刺(见图6前)。而在相同加工条件下,使用Unist公司的MQL系统和润滑剂,可显著提高锯切质量(见图6后)。不过,在切削高温合金时,利用内冷却通道将高压冷却液直接对准刀具/工件界面,也可以显著提高刀具寿命和切削性能。三井精机生产的内冷却主轴机床的最大冷却液流量可达每分钟55加仑。切削加工高温合金零件时,将高压冷却液准确引导到切削区,可有效提高切削性能和延长刀具寿命(见图7)。

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  图6 锯切Inconel棒料

  

能源行业高温合金零件的切削加工

 

  图7 切削加工高温合金零件

  机床设计

  三井精机公司目前的一个项目是开发一组用于加工高温合金(含镍量达30%)叶片的加工中心。这些机床能以高达每分钟80加仑的流量提供2,000psi的高压冷却液。不过,这些机床是使用特制的CBN磨轮(而不是刀具)来加工工件,冷却系统可以防止工件材料粘结到磨轮上并将其堵塞。

  工件材料决定了机床的设计和制造方式。通常选用某种材料是为了改进零件性能,但材料开发人员并不一定了解切削这种材料的剪切机理。材料开发人员选择材料毛坯,虽然这些材料具有最终用户喜爱的性能,但却很难切削加工。

  在切削加工极具挑战性的高温合金时,为了提高系统刚性,有时需要改变机床设计。刀具夹头的接口设计就是一个很好的例子。三井精机公司转而采用肯纳公司KM4X100主轴联接系统,是因为它能提供35,000英寸磅的弯矩。与之相比,HSK100和BT50锥孔联接系统所能提供的弯矩分别为16,500英寸磅和8,500英寸磅。例如,在切削试验中,一台三井精机的HPX63卧式加工中心配备了大功率(最大26kW)、大扭矩(1,081 Nm)的主轴。KM4X100主轴联接系统的夹持力高达90kN,分别是HSK100(40 kN)和BT50(25 kN)的2倍多和近4倍。

  联接刚性的提高对能源零部件的切削加工特别有利,因为此类零件通常尺寸都很大,需要使用长悬伸刀具才能实现对零件特征的加工。当从基准线到刀尖的悬伸量长达150mm、200mm、250mm,且切削力很大时,高刚性联接可确保刀具不会从主轴中被拉出。

  与广泛加工各种不同工件材料和零部件的加工车间相比,当最终用户是加工某种特定高温合金零部件的OEM制造商(如发电设备制造商)时,机床的设计必须更具加工针对性。例如,OEM制造商可能对机床的切削频率范围、冷却液流量、锥孔接口、切削推力和扭矩能力等都有特定的要求。必须围绕特定的工件材料构建加工平台,并优化刀具的切削性能。

  在美国和世界各地,化石能源的大规模开采如火如荼。为了满足这种巨大需求,OEM制造商和普通加工车间对加工高温合金的先进设备与技术的需求必将与日俱增。

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