新型铝高速钢刀具在汽轮机加工中的应用

一、新型高性能高速钢——铝高速钢

    我国目前主要应用的普通高速钢有钨系（以W18Cr4V代表）和钨钼系（以W6Mo5Cr4V2代表）二类，它们虽有通用性大、价格低廉的优点，但总的来说，它们的加工性能无法满足日益发展的生产要求。而高性能高速钢的出现、研发成功现已使推广应用面愈来愈大，并使切削水平上了一个新台阶。 
    目前已经开发出来的高性能高速钢，它和普通高速钢相比其共同的特点是硬度高（常温硬度和高温硬度）、热硬性好，而且耐磨性也较普通高速钢有较大的提高。国外高性能高速钢主要有三类，一是高钴高速钢，二是高钒高速钢，三是高碳高速钢。这三类高性能高速钢中，高钴高速钢由于其加工综合性能良好，因而被广泛采用，如在世界各国汽轮机转子轮槽加工中，枞树型粗、精加工全套铣刀，几乎都采用M42（高钴高速钢价格昂贵，一般是普通高速钢的6～8倍。而由我国独立自主开发研制出来的高性能铝高速钢应该说是一个“新秀”。铝高速钢的成份一般是在W6Mo5Cr4V2（M2）钨钼系高速钢基础上提高了含碳量、添加了1%左右的铝。现国内生产的铝高速钢牌号有多种，其中典型和常用的铝高速钢牌号为501钢（又称M2Al）。它具有以下特点：
    常温硬度和高温状态下硬度都高于普通高速钢，在常温下，硬度一般为67～69HRC，最高可达69.7HRC；它在500℃时的高温硬度在62HRC，在610℃时仍可保持在54～55HRC。它与W18Cr4V和M2普通高速钢相比，常温硬度高3～4HRC，高温下硬度要高出6～7HRC，达到含钴超硬高速钢水平。 
    抗弯性能好。它的抗弯强度为2900～3900MPa，与W18Cr4V相近，比M42高（M42抗弯强度为2700～3800MPa），所以虽然硬度高，却没有含钴高速钢那样大的脆性。
    耐磨性能好。它的耐磨性能接近于瑞典的HSP-15，可与美国的M41和M42、日本的SKH3等高速钢相媲美。501高速钢由于含有铝，能够提高氮的吸收能力，能提高氰化层的深度和硬度。且经过深冷处理后效果会更好。
    耐用度高。刀具在低速切削时的磨损主要是机械磨损，而501钢由于有硬度高和碳化物硬质点分布均匀与细化的优点，因而机械磨损也就比较小。刀具在高速切削时的磨损主要是热磨损，而501钢由于有抗回火性的优点，因而它的热磨损也小，在一定范围内切削速度越高，这个优点就更能体现出来。
    此外501钢还有成分比较简单，机械加工性能较好、比重轻、价格比高钴高速钢低（其价格仅为M42材料的1/5左右）等优点。
    而它目前主要存在的问题是：
    在热加工中热敏感性强，容易氧化，脱碳倾向比较大。
    锻造性能差。
    热处理工艺要求比较严格（淬火加热温度范围比较窄）。
    可磨削加工性能较差。

二、新型铝高速钢刀具在汽轮机加工中的试验和应用：

    501钢刀具，在汽轮机制造中，我公司应用已有十多年历史，其应用效果是显著的。我们首次应用是对汽轮机零件的难加工材料加工。上世纪80年代末期，我们在钻削一种汽轮机冷凝器管板孔时（被加工材料为Bfe30-1-1,主要成份是铜和镍，且镍的含量高达29～32%），发现采用普通高速钢麻花钻无法进行正常切削，钻削时不但切削效率极低，且刀具寿命也很短，钻削时伴有刺耳的尖叫声。后来我们对麻花钻进行了表面涂层处理，但加工效果仍不佳（管板上有数千个孔，加工一个Ø15×60的孔需要近15min），为解决这一加工难题，我们又先后采用了二种新刀具材料，一种是钢结合金，另一种则是501钢，试验应用这两种刀具材料并对刀具结构做适当的改进后，难题基本得以解决，切削效率和刀具寿命分别提高了5～8倍，基本满足了生产要求。刀具结构。从实际加工情况看，使用钢结合金制造的麻花钻其效果略胜于501高速钢，但由于钢结合金麻花钻制造时冷热加工都十分困难，工厂无法进行批量生产，所以最后我们还是采用501钢制造的麻花钻解决了这一难题。以后我们又陆续采用了501钢制造的刀具对汽轮机零件难加工的高温合金、不锈钢和高强度合金钢材料进行了试验和推广应用。
    GH4169高温合金材料的轮盘螺孔加工十分困难，其规格为M5，由于材料的韧性、粘性大，加工冷作硬化现象严重，再加上螺孔直径小，丝锥强度差，因此加工时钻头、丝锥经常折断，使加工陷入了困境。后来我们试验应用了501钢制造的钻头和螺旋槽丝锥，并对加工工艺、刀具结构和冷却润滑进行一些改进，加工时出现的切削效率低、刀具寿命短、丝锥易折断的现象基本得到了改善和解决。现我们已将M5螺孔加工的501钢刀具正式纳入工艺。 
    汽轮机转子材料为30Cr1Mo1V、34Cr2Ni4MoV等高强度合金钢，对转子枞树型轮槽的铣削加工目前我们一般都选用M42高钴高速钢，但材料价格的昂贵也迫使我们探讨、寻找能否有低价位的刀具材料可替代。为此，我们和贵州西南工具厂进行合作开发501钢制造的枞树型轮槽铣刀，经过双方一年多时间的摸索和改进，501钢枞树型轮槽螺旋刃粗铣刀终于成功的应用在转子轮槽的粗铣加工。它的使用情况是，在和M42轮槽铣刀相同的切削用量条件下切削平稳、正常，且刀具寿命基本接近或达到了国内同类M42轮槽铣刀的水平。但由于前段时间贵州西南工具厂的改制和该厂批量生产枞树型半精、精铣刀的设备、工艺等条件不成熟，所以我们现在没有再继续向西南工具厂订货。但从我们成功试用501钢制造的轮槽粗铣刀中也找到了开发501钢刀具的新途径。
    目前，我厂对501钢铣刀的批量应用主要是用于汽轮机各类不锈钢材料的叶片加工，应用的品种大多为各种规格的波刃型立铣刀，刀具年应用量约为6000多把，贵州西南工具厂根据我厂使用实际情况（特别是根据马氏体不锈钢材料的性能特点）在刀具几何角度和结构上进行了改进，其典型结构。 
    501钢波刃型立铣刀和原用普通高速钢立铣刀加工不锈钢相比，其典型刀具所使用的切削用量和刀具效率、寿命提高情况可见下表。

    表1 加工叶片背弧试验数据 叶片材料 1Cr12Mo
    Ø32长铣刀 转速n（r/min） 走刀量f（mm/min） 加工数量（件）
    普通高速钢铣刀 230 2240 20
    501后波刃铣刀 2240 384 30 

    表2 加工叶片拉筋凸台试验数据 叶片材料 0Cr17Ni4Cu4Nb
    Ø40铣刀 转速n（r/min） 走刀量f（mm/min） 加工数量（件）
    普通高速钢铣刀 160 9 1
    501后波刃铣刀 160 44 6 

    从上表可以看出采用501钢立铣刀后刀具切削效率可提高0.5～3.0倍，寿命可提高0.5～3.0倍左右，501钢立铣刀的应用受到了操作工人的欢迎和好评，为此今后我们要在不断总结、改进应用的基础上加大501钢刀具的推广应用面。

三、有待进一步探讨的几个问题

    501钢制造的刀具在我厂的应用虽然取得了较大的成效，并站稳了脚跟，但应用中还有不少工作需要进一步完善。主要的有下列几方面的工作。
    采用501钢制造的刀具对各种材料（特别是难加工材料）的加工尚未找出合理和最佳的切削用量。
    501钢的磨削（修磨）目前较M42钢困难，因此要寻找、试验适用于501钢刀具的磨料。
    由于501钢热处理工艺要求严格，像我们工厂自行研制的该钢种刀具往往达不到专业工具厂制造的水平和效果，因此还需要专业工具厂的帮助和自行探索。
    加强501钢制造的刀具在专业工具厂、同行业或使用单位的经验交流以扩大推广使用面。