4J36低膨胀合金及其工艺性

摘要：研究难加工材料的切削加工性，掌握切削性能，寻求技术措施是工艺研究的一个重要课题。文中介绍了4J36低膨胀合金材料的切削加工和热处理工艺。分析了该材料难切削的原因，并详细说明了机械加工采取的措施、工艺流程及具体的热处理方法。

关键词：低膨胀合金切削加工工艺流程热处理工艺

 

引言

随着电子、航天和核工业的迅猛发展，对产品零部件材料的性能提出了新的和特殊的要求，出现了许多难加工材料。掌握难加工材料的切削加工性及切削规律，是工艺研究的一个重要课题。

4J36是典型的低膨胀合金。在大气温度变化范围内（-60～80℃），这种合金具有很低的膨胀系数，其塑性良好，性能稳定，导热性差。主要用于制造在环境温度变化范围内，尺寸高度精确的零部件和在常温附近要求尺寸恒定的膨胀系数极低的精密仪器、仪表器件、谐振腔零件和随温度变化刻度漂移很小的无线电频率元件、天文仪器构架及钟表摆轮装置等。

4J36低膨胀合金为高镍基合金，属于难加工材料，切削时切削力大，刀具磨损严重，易断刀。为达到设计精度要求，开展了4J36低膨胀合金加工工艺研究。在MFtwin65数控车削中心实验4J36低膨胀合金的切削加工性能，对刀具材料和刀具几何角度以及数控切削参数的优化组合进行了实验摸索，寻求技术措施。通过实验加工，初步掌握了4J36低膨胀合金的切削加工性能，确定了零件的加工工艺和热处理工艺。

 

1、4J36低膨胀合金材料机械性能和切削加工难点分析

1.1  4J36低膨胀合金的化学成分、机械性能及切削加工性分析

影响材料切削加工性的因素有材料的化学成分、热处理状态和物理力学性能等。化学成分和热处理状态的变化最终表现为物理力学性能的改变。针对4J36低膨胀合金材料的机械性能，进行综合分析，全面考虑切削加工中可能出现的问题，并统筹兼顾地提出相应的加工措施。

 

由表1可知，4J36低膨胀合金含镍量高，在大气、海水、淡水中具有较好的耐腐蚀性能。镍能在铁素体中固溶，使材料的强度、塑性、韧性增加，但导致热导率降低。同时，当钢的含镍量超过8％后形成奥氏体钢，加工硬化严重，切削时软、粘，使切削性能显著下降。从材料的机械性能来看，当热导率λ＜41.87W/m·K，伸长率δ＞30％时，均为难加工材料。4J36低膨胀合金的导热系数仅为4.63W/m·K，远远低于41.87W/m·K，因此可加工性很低，属于难加工材料。

1.2  4J36低膨胀合金的切削加工难点分析

根据4J36低膨胀合金的机械性能和综合分析，在进行切削加工时主要具有以下难点。

1. 2.1切削力大

4J36低膨胀合金塑性和韧性较好，抗拉强度和硬度不很高，一般与中碳钢接近。但是，其延伸率约为45号钢的2倍，切削时塑性变形大，晶格歪扭畸变，断面收缩也较高，加工硬化比较严重，与刀具表面的粘着现象也较强，不易断屑，因而切削阻力加大。

1. 2.2切削温度高

该合金切削变形大，导热系数较低（κ=4.63W/m·K）比1Cr18Ni9Ti（κ=16.3W/m·K）还低，仅是45号钢（κ=50.2W/m·K）的1/10，因此，切削时产生的大量热量不易被切屑带走，集中在刀具上，切削温度相应提高，加快刀具磨损，降低了使用寿命。

1.2.3刀具磨损大

由于切削力大和切削温度较高，刀具极易产生氧化磨损和扩散磨损。同时，这种材料软粘性塑性较大，切削时增加了切屑和刀具前刀面的摩擦，加剧了刀具的磨损。

1. 2.4切屑控制困难

4J36低膨胀合金塑性和韧性都很大，切屑连绵不断，不易折断。特别是在加工内环槽时，属于半封闭容屑加工方式，增大了加工难度，易断刀，表面质量和尺寸精度均不易达到要求。

 

2、加工4J36低膨胀合金零件的实验研究和实验结果

2.1  4J36低膨胀合金零件的切削加工实验

实验加工的零件是一个小型并且尺寸精度要求很高的回转体零件。零件不论是尺寸公差还是形位公差的要求都在0.01mm左右。工作面的平面度误差≤0.28µm，表面粗糙度Ra≤0.05µm，加工难度很大。零件的主要切削加工是在数控车床上完成。通过对传统工艺的分析和多种加工方案的比较，我们实验了两种工艺方案，经过实验加工和检测，确定了该零件的加工工艺方案。其工艺流程图见图1。

 

在普通机床上实施加工时，可以通过手感进行切削控制。数控机床是封闭式加工，切削加工是通过程序控制，减少了人为的因素，但在切削难加工材料时，就增加了加工难度。为了改善4J36低膨胀合金材料的加工性，我们实验加工的重点为刀具材料的选择、刀具结构和几何角度的设计和刃磨、数控加工切削用量的优化组合。

2. 1.1采用适用的刀具材料

根据4J36低膨胀合金材料的特点，切削加工时要求刀具切削部分的材料具有较高的耐磨性，并且能在较高的温度下保持其切削性能。因此，选用坚韧性较好，能承受较大冲击和振动，导热性也较好的YG8硬质合金刀片。由于钨钴合金的坚韧性好，用它制成的刀具可以采用较大的前角和刃磨出较为锋利的刃口。

2.1.2选择合理的刀具几何参数

车刀前角γ的大小，对车削的效果有直接的影响。根据车削不锈钢的经验，必须采取较大的前角。增大前角，能减少切屑切离和滑出过程中所遇到的阻力。由于前角的增加，刀尖比较锐利，切削变形顺利，降低切削力和切削热，减弱加工硬化效应，选择γ＝15º～25º。同时，在前刀面上刃磨出带圆弧的卷屑槽，改善切削条件，减缓刀刃的磨损。

在加工内环槽时，设计了内R成形槽刀。刀片材料为耐热性好、耐磨性高、粘附性小的硬质合金YW2。选用前角γ0＝10°～15°，较大的前角可使刀刃锋利，切削轻快，并使切屑和刀具不易粘结，易卷曲和折断。后角α0＝6°～10°，以减少切屑变形与后刀面的摩擦。但后角不易过大，否则，切削刃强度降低，刀具的磨损会加速。

由于4J36低膨胀合金对刀具的粘附性强，前、后刀面应仔细研磨，保证光洁圆滑，表面粗糙度Ra≤0.2µm。切削过程中应注意始终保持刃口锋利，不允许有毛刺和微小锯齿等缺陷存在。

2.1.3选择适用的冷却润滑液

切削4J36低膨胀合金时，产生大量的切削热，必须进行充分的冷却和润滑。冷却润滑液采用极压乳化液，提高其清洗和润滑作用。切削过程中切削液采用喷雾法喷至切削区，不得中途停止，以免切削刀具突然被烧坏。

2.1.4选用合理的切削用量

切削用量的优化组合一般是较大的ap，中等偏小的f，低的vc。当ap和f确定后，vc与切削温度有关。选择切削速度时，主要原则是：粗车时，吃刀量ap和进给量f较大，选择较低的切削速度vc；精车时，吃刀量ap和进给量f较小，故可选较高的切削速度vc。

精车的切削用量为：ap＝0.1～0.3mm，f＝0.3～0.6mm/r，vc＝100～150m/min

2. 2  4J36低膨胀合金的热处理和稳定化时效

4J36低膨胀合金为单相奥氏体合金，不能用热处理进行强化。其热处理的目的是为获得较低膨胀系数和较高的尺寸稳定性。零件加工采用三段热处理工艺。

 

3、结论

4J36低膨胀合金的切削加工性能类似于1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢。切削加工时，应根据这种材料的特性，选用合适的刀具材料、合理的刀具参数和切削速度（一般采用低速切削加工）及切削量，零件的质量是可以保证的。4J36低膨胀合金试验零件的加工质量，经三坐标测量仪检测，达到了设计要求并提高了加工精度，同时，零件尺寸的稳定性和一致性较好。试验加工表明：只有在保证切削刃锋利，切削用量优化组合，使用性能良好的切削液并用喷雾冷却法，在刚度较高的机床上加工时，才能获得表面质量好，精度较高的工件。通过试验加工，初步掌握了难加工材料4J36低膨胀合金的切削规律，为设计选用4J36低膨胀合金材料奠定了工艺基础。