CN115609055A - 一种提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法，包括以下步骤：S1：测试加工表面的影响层深度，过程为：使用SiAlON刀具对测试用疲劳试件左右两侧的曲面进行粗加工以切除试件毛坯余量，SiAlON刀具的切削速度为700m/min‑1100m/min，粗加工后，通过测量得到加工表面的影响层深度为120μm；S2：采用步骤S1的方法使用SiAlON刀具对加工用疲劳试件左右两侧的曲面进行粗加工以切除试件毛坯余量；S3：使用硬质合金刀具对粗加工后疲劳试件左右两侧的曲面进行精加工，去除120μm厚加工影响层。采用本发明方法粗加工完成后，机械应力和热应力会产生影响层，在粗加工完成后，使用硬质合金刀具进行精加工能够提高加工效率，且保证试件的精度及性能。
Description
技术领域
本发明涉及提高试件表面质量的加工方法，尤其涉及提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法。
背景技术
镍基高温合金具有高温强度稳定、耐腐蚀、组织稳定以及优异的抗氧化等特点，常用于制造飞机发动机热端部件。
但其存在导热系数低、高温高强度硬度、加工硬化现象严重等问题，也被认为是最难加工的材料之一。SiAlON刀具在高速切削镍基高温合金过程中表现出优异性能，其切削效率是硬质合金刀具十几倍，但SiAlON铣刀在高切削速度下达到的切削热和切削应力会导致材料表面损坏，进而影响材料的力学性能。现有的镍基高温合金加工方法多集中在使用小的进给速度和小的径向切削深度提高加工试件表面质量，但较低的进给速度严重降低了镍基高温合金试件加工效率，目前的研究中缺少在保证镍基高温合金试件加工质量的基础上提高加工效率的加工方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够提高加工效率，且保证试件的精度及性能的提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法。
为了实现本发明目的，本发明的技术方案是：
本发明的一种提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：测试加工表面的影响层深度，过程为：使用SiAlON刀具对测试用疲劳试件左右两侧的曲面进行粗加工以切除试件毛坯余量，SiAlON刀具的切削速度为700m/min-1100m/min，粗加工后，通过测量得到加工表面的影响层深度为120μm；
S2：采用步骤S1的方法使用SiAlON刀具对加工用疲劳试件左右两侧的曲面进行粗加工以切除试件毛坯余量；
S3：使用硬质合金刀具对粗加工后疲劳试件左右两侧的曲面进行精加工，去除120μm厚加工影响层。
相较于现有技术，本发明的技术方案的优点在于：
采用本发明方法粗加工完成后，机械应力和热应力会产生影响层，在粗加工完成后，使用硬质合金刀具进行精加工能够提高加工效率，且保证试件的精度及性能。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为采用本发明方法加工的镍基高温合金疲劳试件结构示意图。
图中：1、疲劳试件；11、曲面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如附图所示，本发明的一种提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法，包括如下步骤：
S1：测试加工表面的影响层深度，过程为：使用SiAlON刀具(即硅铝氧氮陶瓷刀具)对测试用疲劳试件1左右两侧的曲面11进行粗加工以试件毛坯余量，SiAlON刀具的切削速度为700m/min-1100m/min，粗加工后，左右两侧的曲面11在切削过程中在高温、高应力作用下发生变质，产生一定厚度的加工影响层，通过测量得到加工表面的影响层深度为120μm。
切削加工产生的残余应力以及加工硬化影响会在距离加工表面的一定深度范围内持续存在，这个范围分别称为加工残余应力影响层、加工硬化影响层，影响层深度的测量可以采用以下方法：经过Proto XRD高速残余应力分析仪测量加工方向深度上的残余应力，得到加工表面产生残余拉应力。经过数字显微维氏硬度计(TUKON 1202)测量加工方向深度上的显微硬度，得到表面加工硬化产生的影响层深度。比较残余应力影响层和加工硬化影响层的深度，以影响深度大的数值作为加工表面的影响层深度。
本步骤中，SiAlON刀具的切削速度为700m/min-1100m/min，SiAlON刀具在该切削速度范围内表现出更优异的性能。示例性地，SiAlON刀具为可转位铣刀，便于切削刃的更换。
S2：采用S1的方法使用SiAlON刀具对加工用疲劳试件左右两侧的曲面进行粗加工以切除试件毛坯余量；
S3：使用硬质合金刀具对粗加工后疲劳试件1左右两侧的曲面11进行精加工，去除120μm厚加工影响层，精加工后试件表面的粗糙度达到Ra＝0.2μm，加工表面产生200～300MPa的残余压应力，加工表面显微硬度没有显著升高，加工表面质量显著提升。
本步骤中，硬质合金刀具的切削速度为30m/min-50m/min，在这个速度范围内刀具磨损较慢，切削效果最佳。示例性地，硬质合金刀具为四刃铣刀。更进一步地，硬质合金刀具具有TiAlN的涂层，可以提高刀具寿命。
实施例1
S1：使用SiAlON刀具对疲劳试件1两侧的曲面11进行粗加工以切除毛坯余量，两侧的曲面11在切削过程中高温、高应力作用下发生变质，产生一定厚度的影响层。
本步骤中，疲劳试件1的型号为GH4169铸造高温合金，GH4169铸造高温合金应用广泛，在高温下性能优异。可以理解的是，疲劳试件1的尺寸应满足GBT 26076-2010，示例性地，疲劳试件1的长度L为100mm，宽度B为20mm，圆弧半径R可以为44mm，疲劳试件1厚度为4mm,加工完成后试件宽度最小处H为3mm。当然，在其他的实施例中，疲劳试件1的尺寸也可以改变。
SiAlON刀具的切削速度为850m/min，SiAlON刀具为可转位铣刀，便于切削刃的更换。SiAlON刀具刀杆直径为32cm，SiAlON刀具刀片等级为KYS30,SiAlON刀具刀片的直径为12mm，机床主轴在最高转速时可以满足刀具切削速度。
本实施例中，使用SiAlON刀具对疲劳试件1两侧的曲面11进行粗加工时，SiAlON刀具粗加工切削路径为试件圆弧曲面半径R1等于44.88mm的圆弧，粗加工的目的在于快速切除毛坯余量。
本实施例中，使用SiAlON刀具粗加工完成后，两侧曲面11的表面粗糙度Ra＝1.26μm,加工表面光洁度差，有明显可见的刀痕，这会导致加工表面应力集中，易造成零件的疲劳断裂。陶瓷刀具加工过程中，切削区最高温度可达1000℃，产生的热应力使得两侧曲面11产生残余拉应力，残余拉应力可达到500MPa到600MPa，两侧曲面11的残余应力影响层深度可达100μm到120μm，残余拉应力会促进表面裂纹的萌生，降低零件服役性能。除此之外，切削加工表面会发生严重的塑性变形，产生严重的加工硬化现象，两侧曲面11的表面显微硬度为基体硬度的1.3到1.5倍，两侧曲面11的硬度影响层深度约为120μm，严重的加工硬化会加剧刀具磨损，不利于后续工序的进行。故粗加工后仅留取120μm加工余量，可以最大程度去除毛坯。
S2：使用硬质合金刀具对粗加工后左右两侧的曲面11进行精加工，去除120μm影响层，精加工后表面粗糙度达到Ra＝0.2μm。
本步骤中，硬质合金刀具的切削速度为45m/min，硬质合金刀具为四刃铣刀。硬质合金刀具的直径为20mm，硬质合金刀具具有TiAlN的涂层，可以提高刀具寿命。
本实施例中，硬质合金刀具精加工去除SiAlON刀具粗加工影响层的厚度为120μm。
通过上述实施方式可以看出，本实施例提供的提高镍基高温合金疲劳试件1表面质量的加工方法，粗加工完成后，机械应力和热应力会产生影响层，在粗加工完成后，使用硬质合金刀具进行精加工，该方法能够提高加工效率，且保证试件的精度及性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：测试加工表面的影响层深度，过程为：使用SiAlON刀具对测试用疲劳试件左右两侧的曲面进行粗加工以切除试件毛坯余量，SiAlON刀具的切削速度为700m/min-1100m/min，粗加工后，通过测量得到加工表面的影响层深度为120μm；
S2：采用步骤S1的方法使用SiAlON刀具对加工用疲劳试件左右两侧的曲面进行粗加工以切除试件毛坯余量；
S3：使用硬质合金刀具对粗加工后疲劳试件左右两侧的曲面进行精加工，去除120μm厚加工影响层。
2.根据权利要求1所述的提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法，其特征在于：硬质合金刀具的切削速度为30m/min-50m/min。
3.根据权利要求1或者2所述的提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法，其特征在于：所述的硬质合金刀具为四刃铣刀。
4.根据权利要求4所述的提高镍基高温合金疲劳试件表面质量的加工方法，其特征在于：所述的硬质合金刀具具有TiAlN的涂层。
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