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新型鋁高速鋼刀具在汽輪機加工中的應(yīng)用

2010-03-23 來源：機械專家網(wǎng)

一、新型高性能高速鋼——鋁高速鋼

我國目前主要應(yīng)用的普通高速鋼有鎢系（以W18Cr4V代表）和鎢鉬系（以W6Mo5Cr4V2代表）二類，它們雖有通用性大、價格低廉的優(yōu)點，但總的來說，它們的加工性能無法滿足日益發(fā)展的生產(chǎn)要求。而高性能高速鋼的出現(xiàn)、研發(fā)成功現(xiàn)已使推廣應(yīng)用面愈來愈大，并使切削水平上了一個新臺階。

目前已經(jīng)開發(fā)出來的高性能高速鋼，它和普通高速鋼相比其共同的特點是硬度高（常溫硬度和高溫硬度）、熱硬性好，而且耐磨性也較普通高速鋼有較大的提高。國外高性能高速鋼主要有三類，一是高鈷高速鋼，二是高釩高速鋼，三是高碳高速鋼。這三類高性能高速鋼中，高鈷高速鋼由于其加工綜合性能良好，因而被廣泛采用，如在世界各國汽輪機轉(zhuǎn)子輪槽加工中，樅樹型粗、精加工全套銑刀，幾乎都采用M42（高鈷高速鋼價格昂貴，一般是普通高速鋼的6～8倍。而由我國獨立自主開發(fā)研制出來的高性能鋁高速鋼應(yīng)該說是一個“新秀”。鋁高速鋼的成份一般是在W6Mo5Cr4V2（M2）鎢鉬系高速鋼基礎(chǔ)上提高了含碳量、添加了1%左右的鋁。現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)的鋁高速鋼牌號有多種，其中典型和常用的鋁高速鋼牌號為501鋼（又稱M2Al）。它具有以下特點：

常溫硬度和高溫狀態(tài)下硬度都高于普通高速鋼，在常溫下，硬度一般為67～69HRC，最高可達69.7HRC；它在500℃時的高溫硬度在62HRC，在610℃時仍可保持在54～55HRC。它與W18Cr4V和M2普通高速鋼相比，常溫硬度高3～4HRC，高溫下硬度要高出6～7HRC，達到含鈷超硬高速鋼水平。

抗彎性能好。它的抗彎強度為2900～3900MPa，與W18Cr4V相近，比M42高（M42抗彎強度為2700～3800MPa），所以雖然硬度高，卻沒有含鈷高速鋼那樣大的脆性。

耐磨性能好。它的耐磨性能接近于瑞典的HSP-15，可與美國的M41和M42、日本的SKH3等高速鋼相媲美。501高速鋼由于含有鋁，能夠提高氮的吸收能力，能提高氰化層的深度和硬度。且經(jīng)過深冷處理后效果會更好。

耐用度高。刀具在低速切削時的磨損主要是機械磨損，而501鋼由于有硬度高和碳化物硬質(zhì)點分布均勻與細化的優(yōu)點，因而機械磨損也就比較小。刀具在高速切削時的磨損主要是熱磨損，而501鋼由于有抗回火性的優(yōu)點，因而它的熱磨損也小，在一定范圍內(nèi)切削速度越高，這個優(yōu)點就更能體現(xiàn)出來。

此外501鋼還有成分比較簡單，機械加工性能較好、比重輕、價格比高鈷高速鋼低（其價格僅為M42材料的1/5左右）等優(yōu)點。

而它目前主要存在的問題是：

在熱加工中熱敏感性強，容易氧化，脫碳傾向比較大。

鍛造性能差。

熱處理工藝要求比較嚴格（淬火加熱溫度范圍比較窄）。

可磨削加工性能較差。

二、.新型鋁高速鋼刀具在汽輪機加工中的試驗和應(yīng)用：

501鋼刀具，在汽輪機制造中，我公司應(yīng)用已有十多年歷史，其應(yīng)用效果是顯著的。我們首次應(yīng)用是對汽輪機零件的難加工材料加工。上世紀80年代末期，我們在鉆削一種汽輪機冷凝器管板孔時（被加工材料為Bfe30-1-1,主要成份是銅和鎳，且鎳的含量高達29～32%），發(fā)現(xiàn)采用普通高速鋼麻花鉆無法進行正常切削，鉆削時不但切削效率極低，且刀具壽命也很短，鉆削時伴有刺耳的尖叫聲。后來我們對麻花鉆進行了表面涂層處理，但加工效果仍不佳（管板上有數(shù)千個孔，加工一個Ø15×60的孔需要近15min），為解決這一加工難題，我們又先后采用了二種新刀具材料，一種是鋼結(jié)合金，另一種則是501鋼，試驗應(yīng)用這兩種刀具材料并對刀具結(jié)構(gòu)做適當?shù)母倪M后，難題基本得以解決，切削效率和刀具壽命分別提高了5～8倍，基本滿足了生產(chǎn)要求。刀具結(jié)構(gòu)。從實際加工情況看，使用鋼結(jié)合金制造的麻花鉆其效果略勝于501高速鋼，但由于鋼結(jié)合金麻花鉆制造時冷熱加工都十分困難，工廠無法進行批量生產(chǎn)，所以最后我們還是采用501鋼制造的麻花鉆解決了這一難題。以后我們又陸續(xù)采用了501鋼制造的刀具對汽輪機零件難加工的高溫合金、不銹鋼和高強度合金鋼材料進行了試驗和推廣應(yīng)用。
GH4169高溫合金材料的輪盤螺孔加工十分困難，其規(guī)格為M5，由于材料的韌性、粘性大，加工冷作硬化現(xiàn)象嚴重，再加上螺孔直徑小，絲錐強度差，因此加工時鉆頭、絲錐經(jīng)常折斷，使加工陷入了困境。后來我們試驗應(yīng)用了501鋼制造的鉆頭和螺旋槽絲錐，并對加工工藝、刀具結(jié)構(gòu)和冷卻潤滑進行一些改進，加工時出現(xiàn)的切削效率低、刀具壽命短、絲錐易折斷的現(xiàn)象基本得到了改善和解決?，F(xiàn)我們已將M5螺孔加工的501鋼刀具正式納入工藝。

汽輪機轉(zhuǎn)子材料為30Cr1Mo1V、34Cr2Ni4MoV等高強度合金鋼，對轉(zhuǎn)子樅樹型輪槽的銑削加工目前我們一般都選用M42高鈷高速鋼，但材料價格的昂貴也迫使我們探討、尋找能否有低價位的刀具材料可替代。為此，我們和貴州西南工具廠進行合作開發(fā)501鋼制造的樅樹型輪槽銑刀，經(jīng)過雙方一年多時間的摸索和改進，501鋼樅樹型輪槽螺旋刃粗銑刀終于成功的應(yīng)用在轉(zhuǎn)子輪槽的粗銑加工。它的使用情況是，在和M42輪槽銑刀相同的切削用量條件下切削平穩(wěn)、正常，且刀具壽命基本接近或達到了國內(nèi)同類M42輪槽銑刀的水平。但由于前段時間貴州西南工具廠的改制和該廠批量生產(chǎn)樅樹型半精、精銑刀的設(shè)備、工藝等條件不成熟，所以我們現(xiàn)在沒有再繼續(xù)向西南工具廠訂貨。但從我們成功試用501鋼制造的輪槽粗銑刀中也找到了開發(fā)501鋼刀具的新途徑。

目前，我廠對501鋼銑刀的批量應(yīng)用主要是用于汽輪機各類不銹鋼材料的葉片加工，應(yīng)用的品種大多為各種規(guī)格的波刃型立銑刀，刀具年應(yīng)用量約為6000多把，貴州西南工具廠根據(jù)我廠使用實際情況（特別是根據(jù)馬氏體不銹鋼材料的性能特點）在刀具幾何角度和結(jié)構(gòu)上進行了改進，其典型結(jié)構(gòu)。

501鋼波刃型立銑刀和原用普通高速鋼立銑刀加工不銹鋼相比，其典型刀具所使用的切削用量和刀具效率、壽命提高情況可見下表。

表1加工葉片背弧試驗數(shù)據(jù)葉片材料1Cr12Mo

Ø32長銑刀轉(zhuǎn)速n（r/min）走刀量f（mm/min）加工數(shù)量（件）

普通高速鋼銑刀230224020

501后波刃銑刀224038430

表2加工葉片拉筋凸臺試驗數(shù)據(jù)葉片材料0Cr17Ni4Cu4Nb

Ø40銑刀轉(zhuǎn)速n（r/min）走刀量f（mm/min）加工數(shù)量（件）

普通高速鋼銑刀16091

501后波刃銑刀160446

從上表可以看出采用501鋼立銑刀后刀具切削效率可提高0.5～3.0倍，壽命可提高0.5～3.0倍左右，501鋼立銑刀的應(yīng)用受到了操作工人的歡迎和好評，為此今后我們要在不斷總結(jié)、改進應(yīng)用的基礎(chǔ)上加大501鋼刀具的推廣應(yīng)用面。

4.有待進一步探討的幾個問題

501鋼制造的刀具在我廠的應(yīng)用雖然取得了較大的成效，并站穩(wěn)了腳跟，但應(yīng)用中還有不少工作需要進一步完善。主要的有下列幾方面的工作。

采用501鋼制造的刀具對各種材料（特別是難加工材料）的加工尚未找出合理和最佳的切削用量。
GH4169高溫合金材料的輪盤螺孔加工十分困難，其規(guī)格為M5，由于材料的韌性、粘性大，加工冷作硬化現(xiàn)象嚴重，再加上螺孔直徑小，絲錐強度差，因此加工時鉆頭、絲錐經(jīng)常折斷，使加工陷入了困境。后來我們試驗應(yīng)用了501鋼制造的鉆頭和螺旋槽絲錐，并對加工工藝、刀具結(jié)構(gòu)和冷卻潤滑進行一些改進，加工時出現(xiàn)的切削效率低、刀具壽命短、絲錐易折斷的現(xiàn)象基本得到了改善和解決?，F(xiàn)我們已將M5螺孔加工的501鋼刀具正式納入工藝。