從高溫、具有腐蝕性和其他條件惡劣的地質(zhì)環(huán)境中開采石油和天然氣（如通過水力壓裂法或深海鉆探開采油氣）正在幫助美國實現(xiàn)能源自給。但是，這就要求用于完成這項工作的金屬零部件具有很高的強度。例如，水力壓裂設(shè)備要在深入地下7英里以上的地層中工作，在那里，設(shè)備承受的壓力高達25,000psi（1,724巴），溫度高達260℃。此外，由于從深井中開采出的“酸性”原油含硫量很高，因此具有極強的腐蝕性。在能源行業(yè)，即使是用于地面設(shè)施的零部件，也需要承受足以使傳統(tǒng)金屬材料失效的高壓力。因此，渦輪葉片、轉(zhuǎn)子、閥體、歧管、泵用零件、葉片以及許多其他能源零部件的設(shè)計者轉(zhuǎn)而求助于一些新型材料，主要是耐熱超級合金（HRSA）。

設(shè)計者采用能耐受高溫、腐蝕和摩擦磨損的高溫合金來制造能源零部件。有一些精密零部件（如發(fā)電機或渦輪系統(tǒng)的零部件）用于正常的工作環(huán)境，而另一些零部件（如深井鉆探系統(tǒng)的零部件）則需要在極端條件下工作。

圖1 石油開采

高溫合金主要分為三類：鎳基合金、鈷基合金和鐵基合金。根據(jù)山特維克可樂滿白皮書，鎳基高溫合金的使用最為廣泛，常見類型包括Inconel 718、Waspaloy合金和Hastelloy X合金。鈷基高溫合金（如Haynes 25、Stellite 31合金）與鎳基合金類似，在高溫下具有優(yōu)異的抗蠕變性和耐腐蝕性，但價格更昂貴，也更難以加工。由奧氏體不銹鋼發(fā)展而來的鐵基高溫合金（如Inconel 909）具有很小的熱脹系數(shù)，但其高溫強度在這三類合金中最低。

高溫合金（如雙相合金Inconel 718和超級雙相合金Inconel 625）還具有良好的防磁性、耐磨性和高屈服強度，并適用于需要耐腐蝕的密封表面。這些零部件用于各種極端環(huán)境，而高溫合金有助于保持這些產(chǎn)品的完整性。

圖2 渦輪葉片

高溫合金的可切削性

高溫合金適用于極端環(huán)境的結(jié)構(gòu)特點也使其比常規(guī)金屬材料加工難度大得多。例如，雖然鎳基合金能有效地抵御高溫，但由于粘性較大，降低了其可切削性，并增大了產(chǎn)生積屑瘤的風(fēng)險。用于能源和其他一些行業(yè)的高溫合金大部分是鎳基合金，但也有一部分鈷基合金，鐵基合金則相對較少。此外，加工具有高屈服強度的鎳基合金時，會產(chǎn)生大量切削熱，從而進一步增大加工難度。

許多屬于高溫合金范疇的金屬中都包含有不同比例的各種合金元素（可多達10種以上，如屬于同一類合金的鉻、鉬、鎢和鈦），這意味著即使在同一類高溫合金中，加工參數(shù)和可切削性也可能大相徑庭。每種材料自身的特性都會給制造工藝帶來一系列難題，加工每種材料的切削速度、進給量和切削深度都可能完全不同。

即使是同一種高溫合金材料，其可切削性也會有所不同，主要取決于它是否經(jīng)過熱處理或固溶硬化處理，以及毛坯的制造方式，包括鍛件、鑄件和棒料。

鑄件通常具有硬度較高的粗糙表面，從而降低了其可切削性，并可能導(dǎo)致刀具發(fā)生刻劃磨損。棒料是三種毛坯形式中最容易加工的一種，不會對刀具造成嚴重的刻劃磨損。而鍛件的晶粒更細，因此強度比鑄件更高。此外，由于鍛造工藝對材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了“錘打”，因此在切削加工鍛件時，工件材料容易移動讓刀。

切屑減薄

當(dāng)?shù)毒叩目虅澞p成為一個亟需解決的問題時，在粗加工時采用切屑減薄技術(shù)可能有助于減小刀具切深部位的刻劃磨損。從本質(zhì)上說，切屑減薄效應(yīng)就是利用刀具的前傾角，增大切屑在刀片上的分布區(qū)域，從而有效降低刀具承受的切削壓力。

切屑減薄效應(yīng)除了有助于減小刀具刻劃磨損以外，在許多情況下還可以提高金屬去除率，因為要保持適當(dāng)?shù)那行己穸龋捅仨毺岣哌M給速度。

零件制造商在加工鋼等其他材料時，可以大幅提高進給速度，但在加工高溫合金時，雖然也可以獲得提高進給速度的額外好處，但其幅度有限，因為高溫合金耐受極端條件的能力會使其開始反彈。

除了會引起刀具的刻劃磨損以外，高溫合金材料還具有加工硬化傾向。這就要求在加工此類材料（尤其是鍛件）時，應(yīng)采用較低的切削速度。高溫合金的表面切削速度約為23-45m/min。切削速度太快會產(chǎn)生大量切削熱，從而對刀具造成損害，并有可能引起工件材料的加工硬化。在需要對工件進行多次走刀加工的情況下，工件表面的加工硬化將使在本就難以加工的材料中每次后續(xù)走刀都變得更具挑戰(zhàn)性。這種多次走刀會迅速縮短刀具壽命。

圖3 三菱材料公司的iMX可換頭式立銑刀

三菱材料公司的iMX可換頭式立銑刀適合加工高溫合金（如Inconel 718），該刀具的刀頭和刀體均用硬質(zhì)合金制成。三菱材料公司建議，在制造用于能源及其他一些行業(yè)的高溫合金零部件時，將切削參數(shù)比切削合金鋼（如4130鋼和4140鋼）時降低4-6倍來減少熱量的產(chǎn)生，防止加工硬化，提高加工的有效性。雖然在高溫合金的精加工中，切削參數(shù)的降幅可稍小一些，但在粗車高溫合金時，應(yīng)將表面切削速度降低75％—80％。在一般的粗加工中，將進給速度降低30％的情況相當(dāng)常見。

剝銑技術(shù)可能是解決高溫合金加工難題的一種有效手段（取決于加工條件）。剝銑加工時，銑削刀具（如立銑刀）并不像常規(guī)粗銑時那樣處于全吃刀狀態(tài)，而是以更高的切削速度和進給速度及更小的切屑負荷進行銑削。雖然徑向吃刀量很小，但進給速度很快。可以通過使用多刃銑刀來保持較高的進給速度。

刀具開發(fā)

銑削高溫合金時，使用多刃銑刀可以分擔(dān)切削負荷，同時可以采用較小的吃刀量進行加工。例如，Superior Tool Service公司公司為了實現(xiàn)Inconel合金沖壓件的高效修形加工，生產(chǎn)了一種直徑9.5mm的硬質(zhì)合金10刃立銑刀。

切削加工高溫合金時，采用耐熱和耐磨涂層（如AlTiN和AlCrN涂層），并在刀具涂層中添加一些特定的添加劑（如SiO2）來提高刀具的耐磨性和使用壽命，增強其潤滑性和熱穩(wěn)定性。

在切削加工用于能源行業(yè)的高溫合金零部件時，采用合適的刀具基體也至關(guān)重要。最好選用具有微細晶粒結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金基體，以提供在惡劣加工條件下所需的高硬度和高耐磨性。涂層硬質(zhì)合金通過提高基體的整體性能，可以增大切削參數(shù)和延長刀具壽命，從而進一步提高生產(chǎn)率。涂層可進一步提高刀片的耐磨性和潤滑性，使切屑能更順暢地流過刀片。

晶須增強陶瓷也是一種非常有效的刀具基體材料，尤其在連續(xù)切削高溫合金時，因為這種刀具材料能長時間耐受切削高溫。對于斷續(xù)切削，采用合適的晶須陶瓷牌號并進行適當(dāng)?shù)娜锌谥苽鋵@得更理想的加工效果。另一種可供選擇的基體材料是Sialon陶瓷，也能耐受切削高溫，但與晶須陶瓷相比，其堅持的時間要短一些，適用的切削速度也較低。

圖4 Greenleaf公司的WG-600涂層晶須增強陶瓷刀片

陶瓷刀具對于高溫合金的粗加工非常有效。不過，在加工某些零部件時（如在合金鋼主體上嵌入或焊接了高溫合金的零部件），最好避免用陶瓷刀具同時切削兩種金屬材料，而應(yīng)改用硬質(zhì)合金刀具。這是因為在此類加工中，當(dāng)陶瓷刀具接觸基底金屬時，會受到很大的沖擊，導(dǎo)致刀具過早磨損。與硬質(zhì)合金刀具相比，晶須增強陶瓷刀片在加工高溫合金時切削速度更快，耐磨性和耐高溫性能更好。

夾持技術(shù)

刀具夾頭是加工能源零部件刀具解決方案的另一個重要的組成部分。在加工高溫合金時，其用戶經(jīng)常使用Bilz公司生產(chǎn)的ThermoGrip熱裝夾頭，因為這種夾頭能提供很大的夾持力、很高的刀具中心線位置精度和很小的總跳動誤差（TIR）。如果刀具位置實際上是沿主軸中心線直至刀尖，就不會產(chǎn)生徑向跳動。在刀具懸伸長度為6倍直徑處，最小TIR僅為3μm，從而可使每個刀槽的切削刃都能參與切削，而不會使某一個或某幾個切削刃的加工負荷大于其他切削刃，以確保每個切削刃的磨損均勻一致。

加工高溫合金時，零件制造商常常采用熱裝夾頭，因為它們能提供很大的夾緊力、很高的刀具中心線定位精度和很小的徑跳誤差。

圖5 熱裝夾頭

冷卻方式

適合能源行業(yè)高溫合金零部件加工的另一種Bilz產(chǎn)品是JetSleeve冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個覆蓋在熱裝夾頭外部的鋁制套筒構(gòu)成，套筒前部策略性地分布著一些冷卻液孔。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計可利用冷卻液的壓力在套筒內(nèi)形成“龍卷風(fēng)效應(yīng)”，將冷卻液、空氣或潤滑油直接輸送到刀具切削刃處。據(jù)該公司介紹，JetSleeve系統(tǒng)可將冷卻液對刀具切削刃的覆蓋能力提高90％以上，從而大幅延長刀具壽命，并能顯著提高刀具的加工表面光潔度（可參閱本刊2013年第3期P30對該系統(tǒng)的介紹——譯注）。

在今后幾十年中，隨著最小量潤滑（MQL）、低溫切削和干式切削技術(shù)的不斷發(fā)展和普及應(yīng)用，冷卻液的使用不僅會大幅減少，而且還可能基本上停止使用。他指出，雖然在切削加工大多數(shù)高硬度、高彈性的金屬材料時，切削油是最有效的切削液，但由于它具有易燃性和對環(huán)境有害，因此零件制造商傾向于使用更環(huán)保的水基冷卻液。

在連續(xù)切削高溫合金時，最好還是要使用冷卻液。而在斷續(xù)切削時（如用晶須增強陶瓷刀片銑削高溫合金），則可利用壓縮空氣來清除切屑和冷卻刀具/工件界面。這是因為在斷續(xù)切削時使用冷卻液，可能會使陶瓷刀片在切入和切出產(chǎn)生高溫的切削區(qū)時受到劇烈的熱沖擊，從而縮短刀具壽命。

此外，大幅減少冷卻液用量還可以提高切削加工質(zhì)量。例如，Unist公司介紹說，其用戶之一在Hydmech機床上用Lenox雙金屬鋸片鋸切直徑76.2mm的Inconel合金棒料時，用大量冷卻液進行澆注式冷卻，結(jié)果導(dǎo)致嚴重的顫振，棒料邊緣出現(xiàn)了較大毛刺，且鋸片壽命僅為5天。然而，當(dāng)該用戶安裝了一套Unist的最小量潤滑系統(tǒng)，并使用Coolube 2210EP潤滑劑進行MQL加工后，鋸切質(zhì)量和鋸片壽命均大幅提高（見圖4）。

以澆注冷卻方式鋸切Inconel棒料時，會產(chǎn)生較大顫振，并在棒料邊緣形成毛刺（見圖6前）。而在相同加工條件下，使用Unist公司的MQL系統(tǒng)和潤滑劑，可顯著提高鋸切質(zhì)量（見圖6后）。不過，在切削高溫合金時，利用內(nèi)冷卻通道將高壓冷卻液直接對準(zhǔn)刀具/工件界面，也可以顯著提高刀具壽命和切削性能。三井精機生產(chǎn)的內(nèi)冷卻主軸機床的最大冷卻液流量可達每分鐘55加侖。切削加工高溫合金零件時，將高壓冷卻液準(zhǔn)確引導(dǎo)到切削區(qū)，可有效提高切削性能和延長刀具壽命（見圖7）。

圖6 鋸切Inconel棒料

圖7 切削加工高溫合金零件

機床設(shè)計

三井精機公司目前的一個項目是開發(fā)一組用于加工高溫合金（含鎳量達30％）葉片的加工中心。這些機床能以高達每分鐘80加侖的流量提供2,000psi的高壓冷卻液。不過，這些機床是使用特制的CBN磨輪（而不是刀具）來加工工件，冷卻系統(tǒng)可以防止工件材料粘結(jié)到磨輪上并將其堵塞。

工件材料決定了機床的設(shè)計和制造方式。通常選用某種材料是為了改進零件性能，但材料開發(fā)人員并不一定了解切削這種材料的剪切機理。材料開發(fā)人員選擇材料毛坯，雖然這些材料具有最終用戶喜愛的性能，但卻很難切削加工。

在切削加工極具挑戰(zhàn)性的高溫合金時，為了提高系統(tǒng)剛性，有時需要改變機床設(shè)計。刀具夾頭的接口設(shè)計就是一個很好的例子。三井精機公司轉(zhuǎn)而采用肯納公司KM4X100主軸聯(lián)接系統(tǒng)，是因為它能提供35,000英寸磅的彎矩。與之相比，HSK100和BT50錐孔聯(lián)接系統(tǒng)所能提供的彎矩分別為16,500英寸磅和8,500英寸磅。例如，在切削試驗中，一臺三井精機的HPX63臥式加工中心配備了大功率（最大26kW）、大扭矩（1,081 Nm）的主軸。KM4X100主軸聯(lián)接系統(tǒng)的夾持力高達90kN，分別是HSK100（40 kN）和BT50（25 kN）的2倍多和近4倍。

聯(lián)接剛性的提高對能源零部件的切削加工特別有利，因為此類零件通常尺寸都很大，需要使用長懸伸刀具才能實現(xiàn)對零件特征的加工。當(dāng)從基準(zhǔn)線到刀尖的懸伸量長達150mm、200mm、250mm，且切削力很大時，高剛性聯(lián)接可確保刀具不會從主軸中被拉出。

與廣泛加工各種不同工件材料和零部件的加工車間相比，當(dāng)最終用戶是加工某種特定高溫合金零部件的OEM制造商（如發(fā)電設(shè)備制造商）時，機床的設(shè)計必須更具加工針對性。例如，OEM制造商可能對機床的切削頻率范圍、冷卻液流量、錐孔接口、切削推力和扭矩能力等都有特定的要求。必須圍繞特定的工件材料構(gòu)建加工平臺，并優(yōu)化刀具的切削性能。

在美國和世界各地，化石能源的大規(guī)模開采如火如荼。為了滿足這種巨大需求，OEM制造商和普通加工車間對加工高溫合金的先進設(shè)備與技術(shù)的需求必將與日俱增。