据 镍协会镍是地球上第五大元素。它是一种用途广泛的合金元素，可与其他金属轻松结合，赋予其卓越的强度和耐腐蚀性。然而，这些特性在 CNC 加工合金中也带来了重大挑战。
本文探讨了工业中使用的各种镍合金、它们的加工工艺以及它们在 CNC 加工操作过程中面临的具体挑战。
了解镍合金：类别和特性
镍可形成数千种合金，因此很难追踪每一种合金。为了更好地理解它们，根据相似的特性，将镍基合金分为五大类：
A 组 – 镍含量高的合金
这些合金的镍含量较高，通常超过 95%。因此，它们具有镍的大部分固有特性：出色的耐腐蚀性以及优异的导热性和导电性。常用的镍合金包括镍 200、201 和 205。
B 组 – 镍铜合金
镍铜合金（蒙乃尔系列）的镍含量为52%至67%，铜是主要成分，并含有少量其他元素。这类合金的强度高于A组（纯镍）合金，但韧性略低。冷加工可提高其耐腐蚀性，尤其是在海洋和化学环境中。Inconel 400/Alloy 400和 殷钢36 是该组中著名的合金。
C 组 – 镍铬合金
C 组由镍铬合金组成，其成分类似于奥氏体不锈钢。铬的存在使它们具有抗氧化性，特别是在高温下。铬形成保护性氧化层，防止进一步腐蚀。由于相同的镍铬基质，这些合金还具有固溶强度。Inconel 600 和 Nirmonic 75 是该组中的著名成员。
D1-D2 组时效硬化合金
该组分为：
D1 (未老化): 这些合金依靠冷加工来获得强度，并在热处理之前表现出良好的韧性。
D2（陈年）： 老化后，这些合金会发生沉淀硬化，从而提高其强度和耐用性。添加铝或钛等元素会形成沉淀物，从而增强合金承受极端力和温度的能力。
E 组 – 高可加工合金
E 组是一类单一的高可加工性合金，即 Monel R-405。它添加了硫，提高了可加工性。在耐腐蚀性和其他物理性能方面，它与 B 组合金相似。然而，机械性能略有不同。
团队合金组成成分特征：应用A组镍20099.6% 镍耐腐蚀性能优良，导热性好化学加工、海洋环境、电子元件镍20199.6% 镍（低碳）与镍 200 类似，更适合高温应用碱蒸发器、电镀设备镍20599.6% 镍高导电性，改善机械性能电器元件、阳极板B组Inconel 40063% 镍、30% 铜强度高、耐海水腐蚀性能优良海洋工程、热交换器殷钢3636% 镍、64% 铁极低的热膨胀飞机控制装置、恒温器、光学仪器C组Inconel 60072% 镍、14-17% 铬、6-10% 铁高温抗氧化、机械强度好喷射排气管、蒸发器管、热处理设备尼莫尼克 7580% 镍，20% 铬高温强度高、抗氧化性能好燃气轮机叶片、工业炉D1组耐久镍 30194% 镍、4.75% 铁可时效硬化、强度高、耐腐蚀航空航天、高应力部件D2组Inconel 71850-55% 镍、17-21% 铬、2.8-3.3% 钼沉淀硬化、高强度、耐热喷气发动机、燃气轮机、核反应堆、闸阀E组蒙乃尔合金 R-40563% 镍、30% 铜、0.03% 硫增强机械加工性和耐腐蚀性高速加工、船舶、化工设备商业上流行的镍合金的简要概述
镍合金的加工操作
在工业中，镍合金需要经过不同的加工工艺才能获得所需的形状、尺寸和形式。其中，最常用的加工工艺是：
谈到
谈到 是一种使用单点切削刀具从旋转工件上去除材料的加工操作。此操作在 CNC 车床上进行，刀具沿表面移动以形成圆柱形零件。
对于镍合金，由于其韧性高，车削需要精确度。您需要使用正前角来最小化刀具并确保材料被切削而不是被推挤。硬质合金刀具最适合这项工作，因为它们可以承受加工过程中产生的高温。
镍开发研究所建议，车削镍合金所需的速度比加工钢低 30-50%。通常，速度在 50 到 100 FPM（英尺/分钟）之间。
为了在车削过程中控制切屑，最好使用带有卷屑器或断屑器的刀具。研究表明，这些刀具最多可将刀具寿命延长 40%。
磨
磨 是使用旋转刀具对材料进行成形。对于镍合金，为了最大限度地减少工件硬化，最好采用顺铣而不是传统（上铣）。考虑到镍的韧性，高速钢 (HSS) 或硬质合金立铣刀是加工镍的理想选择。
此外，为了防止加工过程中产生过多的热量，专家建议保持较低的进给率。对于重型铣削，具有 12° 至 18° 正前角的专用刀具效果最佳。
钻探
钻镍合金时，稳定的进给率对于避免孔底加工硬化至关重要。高速钢钻头通常适用于 A 组和 B 组合金，而钴钻头最适合更坚韧的 C 组和 D 组合金 - 这些钴钻头的使用寿命比高速钢钻头长 50%。
对于深孔钻孔，铲钻或枪钻很常见。此操作需要高压切削液来排出切屑并防止热量积聚。对于较软的合金，钻孔速度在 10 到 18 SFM（表面英尺/分钟）范围内，而对于较硬的合金，钻孔速度在 5 到 12 SFM 范围内。
研磨
大多数加工工艺通常都伴随着磨削，以达到所需的表面光洁度和尺寸精度。成功磨削镍合金的关键是使用氧化铝或碳化硅等磨料。
研究表明，无心磨削技术对于实现镍合金的精度非常有效，因为它们有助于保持圆度和尺寸精度。
Boring
钻孔过程会扩大已钻或已铸的孔。在镍合金中，考虑到其加工硬度，这很难实现。为了减少刀具磨损，使用硬质合金钻杆。
机械师建议，镍合金的钻孔操作应以比软材料更低的速度进行，通常约为 30-60 SFM。它们需要适当的润滑：使用硫化油或类似的高性能冷却剂。
据统计，镍合金镗孔作业的刀具磨损率比标准钢高 30-40% - 这意味着需要频繁更换刀具。
喉管
对预先存在的孔进行螺纹加工称为攻丝。同样，高速钢和钴基攻丝工具由于其耐热性和耐用性而效果很好。对于最硬的镍合金，需要连续攻丝（每次连续攻丝都会增加螺纹直径）以防止工具断裂。
此外，使用 60% 螺纹深度而不是标准的 75% 螺纹深度可降低攻丝所需的扭矩，并降低丝锥断裂的可能性。攻丝速度通常比钻孔慢，在 10 到 20 SFM 范围内。并且必须大量使用流体以使操作更顺畅。
EDM（电火花加工）
EDM 是一种非传统的加工工艺，利用放电（火花）去除材料。该工艺用于进行精确的内部切割并创建传统工艺无法实现的几何形状。线切割电火花加工在镍合金中非常常见，而沉降电火花加工可用于需要内部腔体的几何形状。
电火花加工比传统加工速度慢，材料去除率在每分钟 0.1 到 0.5 立方英寸之间，但其精度无与伦比，非常适合航空航天、医疗和高性能应用。由于没有切削刀具或切削刀具与材料接触，因此不存在刀具磨损和材料变形的问题。
水刀切割
水射流切割机是切割厚镍合金板而不产生热量的最佳解决方案。它们使用混合有磨料的高压水来切割工件。该工艺用于较大的装置中，可切割厚度高达 10 英寸的镍合金，精度为 ±0.005 英寸。
由于没有热影响区 (HAZ)，当精度和材料完整性至关重要时，水射流切割非常有价值。它的精度可能不如 EDM，但速度相当快（通常速度为 6 到 10 IPM）。
镍合金加工中的挑战
镍合金可以承受高温而不会损失太多强度。但是，在加工时它们可能会很麻烦。机械师面临多重挑战：
产生过多的热量
众所周知，镍合金在加工过程中会产生过多的热量。这种热量主要来自两个方面：切削刀具与材料之间的摩擦接触，以及加工过程中的塑性变形。
由于镍合金的导热性较差，摩擦产生的热量不会散去，而是集中在切削区域。这种局部温度峰值会导致材料表面发生变化，并使刀具变形。
加工硬化
镍合金的加工硬化因塑性变形、发热和连续加工的共同作用而加剧。虽然所有材料都会经历一定程度的加工硬化，但镍合金的硬化程度更高。由于这一过程，加工的每一层都会逐渐变硬。
工具附着力
与热量产生相关的另一个常见问题是刀具粘附，即镍合金的切屑粘附在切削刀具上。大多数刀具无法承受超过 800℃ 的高温。在大多数情况下，这会导致工件材料焊接到刀具上。随着刀具效率的降低，切削变得更加困难。
工具故障风险
由于镍合金的韧性，它会加速刀具磨损并导致刀具过早失效。过热、高切削力和材料硬度的结合会给切削刀具带来巨大的压力。再加上高温，热裂纹会削弱刀具的结构完整性。
CNC 加工镍合金时的注意事项
我们已经分享了许多针对每种加工工艺的有用技巧。以下是加工镍合金时需要集体设置的通用版本：
设计考虑
在设计用于加工镍合金的零件时，必须考虑材料的加工硬化和发热。几何形状应简单，过渡平滑，以避免刀具过度磨损和表面光洁度差。复杂的形状或尖角会加剧这些问题，导致难以保持公差和刀具稳定性。
也许产品可以设计成具有几个更简单的几何形状，稍后再组装。为了优化可加工性，设计还应考虑有效的散热。
切割工具
镍需要硬度超过其硬度的刀具。硬质合金刀具因其耐用性和耐热性而广泛用于连续切削，而高速钢刀具则适用于断续切削或精加工操作。
为了更好地排屑，最好使用 6 至 8 排屑槽的刀具。此外，卷屑器或断屑器最适合防止材料在刀具上堆积。
加工参数（切削速度、进给速度）
必须仔细优化加工参数以减少热量产生和加工硬化。切削速度和进给率因加工工艺的不同而不同，必须进行相应调整。例如，铣削操作通常以 100 到 330 SFM 进行。而车削则为 50 到 100 SFM。
切削液
切削液在镍合金加工中起着至关重要的作用，主要是通过控制温度和减少摩擦。建议使用高压冷却液（通常为 1000 psi 或更高），以实现最佳散热效果。水和硫化矿物油均可用作冷却液。
机加工镍合金的应用
镍合金具有强度高、耐热、耐腐蚀等特点，非常适合各行各业的应用：
行业应用航空航天涡轮叶片、火箭发动机部件化学加工储罐、管道、混合装置石油&天然气泵、管道、压力容器、热交换器医疗设备手术器械、骨科植入物、支架 (Nitinol®) 电气与电子电触点、变压器、记忆存储设备海洋应用螺旋桨、舱底泵、阀门精密仪器密封件、温度开关电力热交换器、燃气轮机、核反应堆部件汽车排气系统、涡轮增压器
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