從高溫、具有腐蝕性和其他條件惡劣的地質環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，水力壓裂設備要在深入地下7英里以上的地層中工作，在那里，設備承受的壓力高達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，即使是用于地面設施的零部件，也需要承受足以使傳統金屬材料失效的高壓力。因此，渦輪葉片、轉子、閥體、歧管、泵用零件、葉片以及許多其他能源零部件的設計者轉而求助于一些新型材料，主要是耐熱超級合金（HRSA）。

設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（如發電機或渦輪系統的零部件）用于正常的工作環境，而另一些零部件（如深井鉆探系統的零部件）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。由奧氏體不銹鋼發展而來的鐵基高溫合金（如Inconel 909）具有很小的熱脹系數，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境，而高溫合金有助于保持這些產品的完整性。

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境的結構特點也使其比常規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，并增大了產生積屑瘤的風險。用于能源和其他一些行業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，并可能導致刀具發生刻劃磨損。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部結構進行了“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

當刀具的刻劃磨損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可能有助于減小刀具切深部位的刻劃磨損。從本質上說，切屑減薄效應就是利用刀具的前傾角，增大切屑在刀片上的分布區域，從而有效降低刀具承受的切削壓力。

切屑減薄效應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，因為要保持適當的切屑厚度，就必須提高進給速度。

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走刀都變得更具挑戰性。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的高溫合金零部件時，將切削參數比切削合金鋼（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，切削參數的降幅可稍小一些，但在粗車高溫合金時，應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％的情況相當常見。

剝銑技術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）并不像常規粗銑時那樣處于全吃刀狀態，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

銑削高溫合金時，使用多刃銑刀可以分擔切削負荷，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Inconel合金沖壓件的高效修形加工，生產了一種直徑9.5mm的硬質合金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定性。

在切削加工用于能源行業的高溫合金零部件時，采用合適的刀具基體也至關重要。最好選用具有微細晶粒結構的硬質合金基體，以提供在惡劣加工條件下所需的高硬度和高耐磨性。涂層硬質合金通過提高基體的整體性能，可以增大切削參數和延長刀具壽命，從而進一步提高生產率。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。對于斷續切削，采用合適的晶須陶瓷牌號并進行適當的刃口制備將獲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，而應改用硬質合金刀具。這是因為在此類加工中，當陶瓷刀具接觸基底金屬時，會受到很大的沖擊，導致刀具過早磨損。與硬質合金刀具相比，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

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，其用戶經常使用Bilz公司生產的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

適合能源行業高溫合金零部件加工的另一種Bilz產品是JetSleeve冷卻系統。該系統由一個覆蓋在熱裝夾頭外部的鋁制套筒構成，套筒前部策略性地分布著一些冷卻液孔。系統的結構設計可利用冷卻液的壓力在套筒內形成“龍卷風效應”，將冷卻液、空氣或潤滑油直接輸送到刀具切削刃處。據該公司介紹，JetSleeve系統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的不斷發展和普及應用，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境有害，因此零件制造商傾向于使用更環保的水基冷卻液。

在連續切削高溫合金時，最好還是要使用冷卻液。而在斷續切削時（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。這是因為在斷續切削時使用冷卻液，可能會使陶瓷刀片在切入和切出產生高溫的切削區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，結果導致嚴重的顫振，棒料邊緣出現了較大毛刺，且鋸片壽命僅為5天。然而，當該用戶安裝了一套Unist的最小量潤滑系統，并使用Coolube 2210EP潤滑劑進行MQL加工后，鋸切質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系統和潤滑劑，可顯著提高鋸切質量（見圖6后）。不過，在切削高溫合金時，利用內冷卻通道將高壓冷卻液直接對準刀具/工件界面，也可以顯著提高刀具壽命和切削性能。三井精機生產的內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，將高壓冷卻液準確引導到切削區，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

機床設計

三井精機公司目前的一個項目是開發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，冷卻系統可以防止工件材料粘結到磨輪上并將其堵塞。

工件材料決定了機床的設計和制造方式。通常選用某種材料是為了改進零件性能，但材料開發人員并不一定了解切削這種材料的剪切機理。材料開發人員選擇材料毛坯，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性的高溫合金時，為了提高系統剛性，有時需要改變機床設計。刀具夾頭的接口設計就是一個很好的例子。三井精機公司轉而采用肯納公司KM4X100主軸聯接系統，是因為它能提供35,000英寸磅的彎矩。與之相比，HSK100和BT50錐孔聯接系統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主軸聯接系統的夾持力高達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對零件特征的加工。當從基準線到刀尖的懸伸量長達150mm、200mm、250mm，且切削力很大時，高剛性聯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（如發電設備制造商）時，機床的設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建加工平臺，并優化刀具的切削性能。

在美國和世界各地，化石能源的大規模開采如火如荼。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備與技術的需求必將與日俱增。