1、引言

高溫合金GH4169材料是一種典型的沉淀硬化性 材料，具有導熱性差、切削抗力大、切削溫度高、加工硬 化等特點，切削性能等級為難加工。

高溫連接器關鍵零件采用GH4169來滿足連接器高溫環境的工作性能，解決高溫材料零件的加工工藝對高溫連接器的開發十分重要。加工工藝路線、工步設計、刀具方案和切削參數是高溫材料加工的重要工藝要素，需要結合零件的結構特征和工藝環節性能要求綜合考慮。

2、XX型號連接器特性與結構

XX型號連接器結構圖如下圖1。

設計其工作溫度范圍：－65℃～485℃，短時間－70℃～485℃（不超過2小時）。

根據產品設計性能要求，其中內殼體和外殼體采用GH4169高溫合金材料加工，產品采用玻璃燒結密封工藝。

3、連接器上高溫合金GH4169外殼零件特點

1）產品中內殼體和外殼體設計采用高溫合金GH4169材料加工成型。

2）零件均是以回轉結構＋徑向銑削（軸向）為主體的軸類回轉零件，包括內外圓、內外槽、直槽、英制螺紋、倒角等特征，需用內孔加工（中心孔＋鉆孔、粗、精鏜孔）、外圓車削、倒角、切槽、端面車削、切斷、圓柱銑削、鋸片銑削、外螺紋車削等類型刀具，滿足高溫合金 削性能和保證產品尺寸精度和表面質量。

3）零件內孔的微細結構特點：

內殼體的內孔Φ2.3的深直徑比為3，微槽深寬比為20；外殼體端部微型枝臺長厚比7；零件精度：最小徑向直徑公差0.02ｍｍ，軸向長度公差0.05ｍｍ。

4）零件后續工藝環節特點：內外殼體在連接器后續工藝中會進入玻璃燒結環節，表面質量狀態包括表面粗糙度、表層應力狀況、硬化層結構等都會對燒結產生影響。

4、零件加工工藝設計與實驗

4.1高溫合金GH4169切削性能

4.1.1化學成分和力學性能。分別見表1和表2。

4.1.2材料線膨脹系數（×10^－6℃^－1）。見圖4。

4.1.3切削性能

高溫合金GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型變形高溫合金。長時間使用溫度－253℃－650℃，短時間使用溫度可達到800℃。 材料在650℃以下具有較好的疲勞、輻射和氧化抗力和耐腐蝕性能，具有長時期組織穩定性。

高溫合金GH4169中鐵、鈦、鉻、鎳和鉬等多種高熔點合金元素，構成了基體純度和密度高的奧氏體合金；同時有部分合金元素與非金屬碳、硼等構成硬度高、熔點高、密度小的化合物。其機械切削性能特點如下：

1）散熱差

切削過程中的溫度是影響刀具壽命和工件表面完整性的重要因素。第一變形區的塑性變形＼第二變形區中刀具－切肩間的摩擦及第三變形區刀具－工件間的摩擦是切削熱產生的主要因素。

GH4169熱傳導率（11.4Ｗ／ＭＫ）較低，導致在切削區域產生的切削溫度很高。

2）高溫強度大

由于高溫合金GH4169在650℃的高溫下仍具有較高的強度，使得切削加工時切削力很高，高的高溫強度會加速刀具磨損，降低刀具使用壽命，并影響到已加工表面質量。

3）加工硬化傾向大

切削加工時，高溫合金GH4169變形區的位錯增殖集聚和晶粒細化現象，使工件表面產生冷作硬化。

從金相組織上分析，切削過程中，在高的切削熱的作用下，GH4169合金中的強化相或合金間化合物從固溶體基體中分解出來，呈彌散分布，使其強化能力增加，產生加工硬化。

4）刀具磨損嚴重

在切削過程的高溫作用下，高溫合金GH4169與刀具材料發生化學反應，易形成滯流層。

滯流層將加劇刀具磨損.高溫合金GH4169內的高硬度質點包括碳氮化物硬度可達ＨＶ2400－3200、相間化合物（FeCr、CoCr、FeCrMo等）硬度高達ＨＶ1000－1300，會造成刀具的嚴重磨損。

GH4169在高溫時的高強度和高硬度，導致切削加工所形成的切屑較強韌，造成前刀面的月牙洼磨損。基于這些原因，加工高溫合金的刀具的磨損很嚴重。

4.2GH4169的刀具選擇分析

4.2.1選擇依據

加工零件的工藝結構特征；加工表面質量、加工的效率、工期要求、零件成本等是高溫合金刀具選擇的主要依據。高溫合金加工刀具選擇內容主要包括：刀具材料的確定、刀具幾何形狀選擇、以及影響刀具加工效果的因素等，根據加工要求確定高溫合金刀具的型號和規格。

4.2.2刀具材料選擇

1）陶瓷刀片

陶瓷刀具具有硬度高和耐磨性好的特點，其硬度高于硬質合金和高速鋼類刀具，最佳切削速度高于硬質合金刀具；陶瓷刀具耐高溫和耐熱性好的特點，可在1200°Ｃ以上高溫下工作；抗氧化性能好，可實現干切削；化學穩定性好，摩擦系數低。可用于加工高溫合金材料的陶瓷刀片有氧化鋁基陶瓷、ＳｉＣｗ增韌的Ａｌ2Ｏ3陶瓷、Ｓｉ3Ｎ4基陶瓷、塞隆陶瓷刀具等。

氮化硅陶瓷因其抗粘結性和耐熱性及硬度高于硬質合金刀具，適用于高溫合金的半精加工和精加工。

2）帶涂層硬質合金刀片

主要是通過物理或化學方法，將刀具表面用一定厚度的硬質膜包覆，該硬質膜是耐磨且難熔的金屬化合物。具有高硬度，耐磨性好、耐高溫、韌性強、潤滑性能好等重要特性。

此類切削刀具擁有良好的切削性能，大大提高了切削效率和表面質量。

鎳基合金材料的加工，切削溫度高，要選擇耐熱性好、耐氧化溫度高的ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮ等涂層，配合合理的工藝優化參數，以實現高溫合金材料的高速、高效以及高精度的加工。

3）無涂層硬質合金刀片

由難熔金屬碳化物和金屬粘結劑用粉末冶金技術制成的合金刀具。具有硬度高、耐磨等特點，在500℃到1000℃溫度時保持高硬度。

通過細化硬質相晶粒度、增大硬質相晶間表面積、增強晶粒間結合力，可使硬質合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。超細晶粒硬質合金的硬度和耐磨性高，適合做小尺寸銑刀、鉆頭等，可用于加工高硬度的難加工材料。

4.2.3刀具幾何形狀的選擇

切削高溫合金等難加工材料時，刀具幾何形狀的優化將對刀具材料的性能發揮起著重要作用。刀具的前角、后角、切入角等刀具幾何形狀應與材料特點相適應。對刃尖的處理方法和工藝，對提高切削精度和延長刀具壽命有很大的影響。

選擇刀具合理幾何參數的原則：

1）要結合加工工件的實際情況，包括材料的化學成分、熱處理狀態、物理機械性能等，結合毛坯表層情況、工件的形狀、尺寸、精度和表面質量要求等確定刀具的幾何結構參數。

2）要結合刀具材料和刀具結構包括刀具材料的化學成分、物理機械性能、刀具結構型式，分析刀具與加工材料的物理化學性能的適應性。

3）分析刀具幾何參數之間的聯系，包含刀具的刀刃形狀、切削刃區域、刀面和角度之間的聯系，需要綜合考慮相互之間的作用與影響，確定其合理數值。

4.2.4影響刀具加工效果的主要因素

高溫合金材料的加工，不僅受刀具自身材料和結構特性的影響，也要受到切削參數和加工工藝的影響。

切削參數的選擇決定了加工工序是否能順利完成，而加工工藝的合理性直接影響到加工的結果。

影響高溫合金加工的切削參數主要是指切削速度、刀具每齒的進給量以及切削深度等。

首先，確定適當的切削速度：高溫合金材料特性不同，對切削速度的要求也不同，相比其他材料，速度遠低于普通工件材料。還要考慮刀具牌號、加工的不同階段和工序、刀片優劣程度等因素，以便確定合理的切削速度。

其次，確定刀具的進給量和切削深度，選擇最優的加工參數。加工工藝的編制，要全面考慮加工的整個流程，包括：工序及工步的安排、加工設備、刀具、夾具、量具等工藝裝備的選擇；冷卻液的選擇；切削力和切削溫度是高溫合金零件加工過程刀具需要周密考慮的因素在保證切削尺寸精度和表面粗糙度的情況下，切削力和切削溫度對刀具的壽命影響。

4.3刀具切削實驗

選擇進給量＝0.08ｍｍ／ｒ，切削深度ａｐ＝0.10ｍｍ，分別在切削速為Ｖｃ＝30ｍ／ｍｉｎ、Ｖｃ＝50ｍｉｎ、Ｖｃ＝60／ｍｉｎ、Ｖｃ＝70ｍ／ｍｉｎ、Ｖｃ＝80ｍ／ｍｉｎ，ｖｃ＝９0ｍ／ｍｉｎ下進行實驗刀具特征參數下切削力、切削溫度和表面粗糙度的情況，刀具特征參數實驗見表3。

4.4實驗數據分析

實驗數據如圖5、圖6和圖7。四種刀具特征參數對切削力、表面溫度和粗糙度的影響如下：

4.4.1刀尖圓弧半徑

隨著切削速度的增加，徑向切削力都明顯增加，且刀尖圓弧半徑大的切削力小。刀尖圓弧半徑大的刀具切削溫度比刀尖圓弧半徑小的小，由于刀尖圓弧半徑大的刀片切削面積大導致散熱條件變好，切屑帶走的熱量較多。切削速度增加粗糙度成減小趨勢，刀尖圓弧半徑小的刀片切出的表面粗糙度小。

4.4.2刀具前角

刀片的徑向切削力受前角和切削速度的影響。前角越大，切削力越小。

切削溫度隨前角變化波動比較大。

當切削速度Ｖｃ＞60ｍ／ｍｉｎ時，前角小的刀具單位切削力大，產生的切削熱多，散熱體積小，所以切削溫度高，當切削速度Ｖｃ＜60ｍ／ｍｉｎ時，前角大的切削溫度高。隨著切削速度的增加，表面粗糙度值隨之減小，并且前角大小對表面粗糙度的影響較小。

4.4.3刀具涂層材料

兩種涂層刀具的切削力均隨切削速度增加而變大，ＰＶＤ涂層刀片的切削力較小一些。隨著切削速度的變化，兩種涂層刀具的切削溫度波動很大。

涂層ＣＶＤ的刀具切削溫度變化大。

ＣＶＤ涂層刀具隨著切削速度的增加表面粗糙度的數值緩慢降低，而ＰＶＤ涂層刀具隨著切削速度的增加表面粗糙度先是快速增加，到一定數值時有下降的趨勢，并且

ＣＶＤ涂層刀具比ＰＶＤ涂層刀具加工出的表面粗糙度要小。由于ＣＶＤ涂層刀具單位面積切削力大，產生的熱量較多，在相同的切削條件下，切削溫度較高。ＣＶＤ涂層刀具更適合精加工，可以得到好的表面光潔度。

4.4.4刀具槽型

兩種槽型的刀具對切削力的影響是隨著切削速度而增大。在相同的切削速度下ＱＭ槽型的切削力要大于ＭＦ槽型。ＭＦ槽型較好可有效減小切削力，這對延長刀具壽命是有利的。

切削溫度均隨著切削速度變化，在相同的切削速度下切削速度Ｖｃ在不大于50ｍ／ｍｉｎ時，ＭＦ槽型的切削溫度要大于ＱＭ槽型。

當切削速度Ｖｃ＝50ｍ／ｍｉｎ時，ＱＭ槽型的切削溫度要高于ＭＦ槽型。但總體上，槽型對切削溫度影響不明顯。ＭＦ槽型刀具的表面粗糙度隨著切削速度而增大，ＱＭ刀具表面粗糙度Ｒａ隨著速度增大而減小，相同的切削速度時，ＭＦ的表面粗糙度要大于ＱＭ的表面粗糙度。

實際加工中，工藝期望獲得低的表面粗糙度、小的切削力和低切削溫度來實現殼體加工質量要求和刀具壽命要求。根據對切削力、切削溫度和表面粗糙度3種因素綜合來看：

1）在滿足表面質量的情況下應選用刀尖圓弧半徑大的刀具進行切削，刀尖圓弧半徑大的刀片切削力、 削溫度較小。

2）切削速度Ｖｃ在不大于60ｍ／ｍｉｎ時，滿足加工表面質量的情況下，可選用前角較小的刀具進行切削加工；切削速度Ｖｃ＞60ｍ／ｍｉｎ時，應選用前角較大的刀具進行切削加工，其切削力較小。

3）在滿足加工表面質量的情況下，可選用ＰＶＤ涂層刀具切削力、切削溫度較小，刀具磨損較小，可延長刀片使用壽命；在精加工中，推薦使用ＣＶＤ涂層刀片，

可得到較小的表面粗糙度。

4）在保整表面粗糙度的情況下，使用ＭＦ槽型刀具，切削力、切削溫度較小；使用ＱＭ槽型刀具加工能有效地降低表面粗糙度。

5、殼體切削工藝實驗

5.1加工工藝實驗設計

1）加工設備：ＢＯ266－2型數控走心機。

設備具有主軸和副軸同時加工功能，適用于軸類零件加工。

2）工藝路線：根據零件結構和ＢＯ266－2走心機

設備特點，內外殼體的工藝路線如下：

內殼體工藝路線

5.2零件切削實驗過程

結合零件結構及前期刀具單因素實驗，按照如下工藝方案進行實驗加工；

1）內殼體工序工步及加工參數見表5。

2）外殼體工序工步及加工參數見表6。

5.3零件實驗加工過程中問題情況

5.3.1加工實驗中刀具問題和零件問題情況

1）外圓車刀、切斷刀、鏜刀以及鉆頭磨損、出現刀具刃口崩缺情況見圖8；

2）銑削加工臺枝結構臺有傘狀金屬薄層殘留、0.18寬槽以及內孔加工毛刺見圖９；

3）內孔在鏜孔時，加工尺寸不合格（偏小）；且孔出現錐度。

5.3.2對問題的改進及效果

結合第一次工藝實驗中的問題，對工藝路線、刀具方案和切削參數逐一優化，通過對內孔鏜加工采用刀具補償、內孔鏜刀結構調整、刀具安裝懸伸控制、粗鏜和精鏜工藝結合，同時對銑削參數（切深和進給匹配）調整等措施實現對毛刺、內孔度和尺寸精度問題的解決。對鉆孔、切斷和外圓車削、鋸片銑削等加工刀具的加工情況跟蹤，選擇的刀具實現了零件的完整成型加工，加工部位的尺寸精度和表面粗糙度滿足零件要求。

5.4殼體零件在連接器后續工藝環節中的工藝驗證情況

用前面工藝實驗外殼零件進行連接器玻璃燒結成型工藝實驗并對燒結成品5套進行產品性能檢測，電性能絕緣耐壓完全滿足設計指標要求，但是氣密性有不合格出現。組件性能檢測結果見表7。

從組件性能檢測來看，組件氣密性出現ＮＧ為不合格。經過初步原因分析，除開正常燒結氣密性影響原因，內外殼體加工表面狀態對玻璃燒結性能的影響是無法排除的因素，需要進一步做工藝驗證。

6、結論

1）通過工藝實驗探討了GH4169材料的零件的機加工藝性能特性，切削力、切削溫度對刀具壽命的主要影響要素，刀具的壽命受刀具材料、結構、處理方式及切削參數的匹配有著直接關系。在實際工藝中需要結合GH4169的材料特性，加工零件的結構特點選擇合適的刀具，并合理安排工藝路線，合理進行工序和工步內容的安排，才能得到滿意的加工質量要求，取得刀具的預期壽命。

2）通過本實驗探索過程，雖然GH4169高溫合金材料的零件內外殼體加工在尺寸精度和表面粗糙度方面達到設計要求。但是適用于GH4169刀具的壽命研究還需要進一步開展。

3）本實驗探討的GH4169材料的零件結構特點屬于微型結構要素，總體材料切除量較小，對于高溫合金GH4169的切削性能的探討深度典型性不足，需要結合高溫連接器產品系列進一步探索，以獲得高溫連接器產品更深入關鍵制造技術。

4）GH4169材料零件在連接器玻璃燒結密封工藝環節的密封性能受多種因素影響，需要對高溫材料零件的表面完整性對燒結工藝性能的影響做進一步實驗，需要研究高溫合金GH4169零件和玻璃的燒結結合界面特性對產品密封性能的影響。

參考文獻：

［1］中國金屬學會高溫材料分會.中國質檢出版社.中國高溫合金手冊上卷.

［2］任小平.高溫合金GH4169車削加工表面完整性及抗疲勞加工工藝研究.

［3］劉逢博.高溫合金零件切削加工工藝研究及應用.

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