摘要：研究難加工材料的切削加工性，掌握切削性能，尋求技術(shù)措施是工藝研究的一個重要課題。文中介紹了4J36低膨脹合金材料的切削加工和熱處理工藝。分析了該材料難切削的原因，并詳細(xì)說明了機(jī)械加工采取的措施、工藝流程及具體的熱處理方法。

關(guān)鍵詞：低膨脹合金切削加工工藝流程熱處理工藝

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引言

隨著電子、航天和核工業(yè)的迅猛發(fā)展，對產(chǎn)品零部件材料的性能提出了新的和特殊的要求，出現(xiàn)了許多難加工材料。掌握難加工材料的切削加工性及切削規(guī)律，是工藝研究的一個重要課題。

4J36是典型的低膨脹合金。在大氣溫度變化范圍內(nèi)（-60～80℃），這種合金具有很低的膨脹系數(shù)，其塑性良好，性能穩(wěn)定，導(dǎo)熱性差。主要用于制造在環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)，尺寸高度精確的零部件和在常溫附近要求尺寸恒定的膨脹系數(shù)極低的精密儀器、儀表器件、諧振腔零件和隨溫度變化刻度漂移很小的無線電頻率元件、天文儀器構(gòu)架及鐘表擺輪裝置等。

4J36低膨脹合金為高鎳基合金，屬于難加工材料，切削時切削力大，刀具磨損嚴(yán)重，易斷刀。為達(dá)到設(shè)計精度要求，開展了4J36低膨脹合金加工工藝研究。在MFtwin65數(shù)控車削中心實驗4J36低膨脹合金的切削加工性能，對刀具材料和刀具幾何角度以及數(shù)控切削參數(shù)的優(yōu)化組合進(jìn)行了實驗摸索，尋求技術(shù)措施。通過實驗加工，初步掌握了4J36低膨脹合金的切削加工性能，確定了零件的加工工藝和熱處理工藝。

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1、4J36低膨脹合金材料機(jī)械性能和切削加工難點分析

1.1??4J36低膨脹合金的化學(xué)成分、機(jī)械性能及切削加工性分析

影響材料切削加工性的因素有材料的化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)和物理力學(xué)性能等?；瘜W(xué)成分和熱處理狀態(tài)的變化最終表現(xiàn)為物理力學(xué)性能的改變。針對4J36低膨脹合金材料的機(jī)械性能，進(jìn)行綜合分析，全面考慮切削加工中可能出現(xiàn)的問題，并統(tǒng)籌兼顧地提出相應(yīng)的加工措施。

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由表1可知，4J36低膨脹合金含鎳量高，在大氣、海水、淡水中具有較好的耐腐蝕性能。鎳能在鐵素體中固溶，使材料的強(qiáng)度、塑性、韌性增加，但導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。同時，當(dāng)鋼的含鎳量超過8％后形成奧氏體鋼，加工硬化嚴(yán)重，切削時軟、粘，使切削性能顯著下降。從材料的機(jī)械性能來看，當(dāng)熱導(dǎo)率λ＜41.87W/m·K，伸長率δ＞30％時，均為難加工材料。4J36低膨脹合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為4.63W/m·K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于41.87W/m·K，因此可加工性很低，屬于難加工材料。

1.2??4J36低膨脹合金的切削加工難點分析

根據(jù)4J36低膨脹合金的機(jī)械性能和綜合分析，在進(jìn)行切削加工時主要具有以下難點。

1.?2.1切削力大

4J36低膨脹合金塑性和韌性較好，抗拉強(qiáng)度和硬度不很高，一般與中碳鋼接近。但是，其延伸率約為45號鋼的2倍，切削時塑性變形大，晶格歪扭畸變，斷面收縮也較高，加工硬化比較嚴(yán)重，與刀具表面的粘著現(xiàn)象也較強(qiáng)，不易斷屑，因而切削阻力加大。

1.?2.2切削溫度高

該合金切削變形大，導(dǎo)熱系數(shù)較低（κ=4.63W/m·K）比1Cr18Ni9Ti（κ=16.3W/m·K）還低，僅是45號鋼（κ=50.2W/m·K）的1/10，因此，切削時產(chǎn)生的大量熱量不易被切屑帶走，集中在刀具上，切削溫度相應(yīng)提高，加快刀具磨損，降低了使用壽命。

1.2.3刀具磨損大

由于切削力大和切削溫度較高，刀具極易產(chǎn)生氧化磨損和擴(kuò)散磨損。同時，這種材料軟粘性塑性較大，切削時增加了切屑和刀具前刀面的摩擦，加劇了刀具的磨損。

1.?2.4切屑控制困難

4J36低膨脹合金塑性和韌性都很大，切屑連綿不斷，不易折斷。特別是在加工內(nèi)環(huán)槽時，屬于半封閉容屑加工方式，增大了加工難度，易斷刀，表面質(zhì)量和尺寸精度均不易達(dá)到要求。

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2、加工4J36低膨脹合金零件的實驗研究和實驗結(jié)果

2.1??4J36低膨脹合金零件的切削加工實驗

實驗加工的零件是一個小型并且尺寸精度要求很高的回轉(zhuǎn)體零件。零件不論是尺寸公差還是形位公差的要求都在0.01mm左右。工作面的平面度誤差≤0.28μm，表面粗糙度Ra≤0.05μm，加工難度很大。零件的主要切削加工是在數(shù)控車床上完成。通過對傳統(tǒng)工藝的分析和多種加工方案的比較，我們實驗了兩種工藝方案，經(jīng)過實驗加工和檢測，確定了該零件的加工工藝方案。其工藝流程圖見圖1。

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在普通機(jī)床上實施加工時，可以通過手感進(jìn)行切削控制。數(shù)控機(jī)床是封閉式加工，切削加工是通過程序控制，減少了人為的因素，但在切削難加工材料時，就增加了加工難度。為了改善4J36低膨脹合金材料的加工性，我們實驗加工的重點為刀具材料的選擇、刀具結(jié)構(gòu)和幾何角度的設(shè)計和刃磨、數(shù)控加工切削用量的優(yōu)化組合。

2.?1.1采用適用的刀具材料

根據(jù)4J36低膨脹合金材料的特點，切削加工時要求刀具切削部分的材料具有較高的耐磨性，并且能在較高的溫度下保持其切削性能。因此，選用堅韌性較好，能承受較大沖擊和振動，導(dǎo)熱性也較好的YG8硬質(zhì)合金刀片。由于鎢鈷合金的堅韌性好，用它制成的刀具可以采用較大的前角和刃磨出較為鋒利的刃口。

2.1.2選擇合理的刀具幾何參數(shù)

車刀前角γ的大小，對車削的效果有直接的影響。根據(jù)車削不銹鋼的經(jīng)驗，必須采取較大的前角。增大前角，能減少切屑切離和滑出過程中所遇到的阻力。由于前角的增加，刀尖比較銳利，切削變形順利，降低切削力和切削熱，減弱加工硬化效應(yīng)，選擇γ＝15o～25o。同時，在前刀面上刃磨出帶圓弧的卷屑槽，改善切削條件，減緩刀刃的磨損。

在加工內(nèi)環(huán)槽時，設(shè)計了內(nèi)R成形槽刀。刀片材料為耐熱性好、耐磨性高、粘附性小的硬質(zhì)合金YW2。選用前角γ0＝10°～15°，較大的前角可使刀刃鋒利，切削輕快，并使切屑和刀具不易粘結(jié)，易卷曲和折斷。后角α0＝6°～10°，以減少切屑變形與后刀面的摩擦。但后角不易過大，否則，切削刃強(qiáng)度降低，刀具的磨損會加速。

由于4J36低膨脹合金對刀具的粘附性強(qiáng)，前、后刀面應(yīng)仔細(xì)研磨，保證光潔圓滑，表面粗糙度Ra≤0.2μm。切削過程中應(yīng)注意始終保持刃口鋒利，不允許有毛刺和微小鋸齒等缺陷存在。

2.1.3選擇適用的冷卻潤滑液

切削4J36低膨脹合金時，產(chǎn)生大量的切削熱，必須進(jìn)行充分的冷卻和潤滑。冷卻潤滑液采用極壓乳化液，提高其清洗和潤滑作用。切削過程中切削液采用噴霧法噴至切削區(qū)，不得中途停止，以免切削刀具突然被燒壞。

2.1.4選用合理的切削用量

切削用量的優(yōu)化組合一般是較大的ap，中等偏小的f，低的vc。當(dāng)ap和f確定后，vc與切削溫度有關(guān)。選擇切削速度時，主要原則是：粗車時，吃刀量ap和進(jìn)給量f較大，選擇較低的切削速度vc；精車時，吃刀量ap和進(jìn)給量f較小，故可選較高的切削速度vc。

精車的切削用量為：ap＝0.1～0.3mm，f＝0.3～0.6mm/r，vc＝100～150m/min

2.?2??4J36低膨脹合金的熱處理和穩(wěn)定化時效

4J36低膨脹合金為單相奧氏體合金，不能用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。其熱處理的目的是為獲得較低膨脹系數(shù)和較高的尺寸穩(wěn)定性。零件加工采用三段熱處理工藝。

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3、結(jié)論

4J36低膨脹合金的切削加工性能類似于1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼。切削加工時，應(yīng)根據(jù)這種材料的特性，選用合適的刀具材料、合理的刀具參數(shù)和切削速度（一般采用低速切削加工）及切削量，零件的質(zhì)量是可以保證的。4J36低膨脹合金試驗零件的加工質(zhì)量，經(jīng)三坐標(biāo)測量儀檢測，達(dá)到了設(shè)計要求并提高了加工精度，同時，零件尺寸的穩(wěn)定性和一致性較好。試驗加工表明：只有在保證切削刃鋒利，切削用量優(yōu)化組合，使用性能良好的切削液并用噴霧冷卻法，在剛度較高的機(jī)床上加工時，才能獲得表面質(zhì)量好，精度較高的工件。通過試驗加工，初步掌握了難加工材料4J36低膨脹合金的切削規(guī)律，為設(shè)計選用4J36低膨脹合金材料奠定了工藝基礎(chǔ)。