鎳基高溫合金高速銑削的切削熱研究

肖茂華，何 寧，李 亮，陸愛華

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，210016 南京，huaxmao@nuaa.edu.cn;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，210031 南京)

鎳基高溫合金高速銑削的切削熱研究

肖茂華1，2，何 寧1，李 亮1，陸愛華1

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，210016 南京，huaxmao@nuaa.edu.cn;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，210031 南京)

介紹了基于量熱法測量高速銑削鎳基高溫合金試驗(yàn)中切屑的熱功率方法;通過測量切削力，研究了切削參數(shù)對切屑功率、切削功率以及切削熱分配的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，切削功率和切屑功率都隨著切削速度的增加而大幅增加;切屑所帶走的熱量比隨切削速度的增加而增加，但比碳鋼高速切削時小得多;每齒進(jìn)給量對切削熱分配的影響比較小.采用有限元軟件Deform-2D提供的切削模塊仿真了切削過程，并對切削熱進(jìn)行了仿真計算.仿真結(jié)果與試驗(yàn)得到的熱量的變化趨勢基本一致.

鎳基高溫合金;高速銑削;切削熱;量熱法;熱功率

鎳基高溫合金是航空發(fā)動機(jī)的重要材料［1］，也是目前最難加工的材料之一，在切削加工時刀具磨損非常嚴(yán)重［2－3］.切削熱是金屬切削過程中產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象之一，直接影響刀具的磨損和耐用度，也影響工件的加工精度和已加工表面質(zhì)量.近年來，高速切削加工技術(shù)和機(jī)理的研究工作日益廣泛，但很少見到定量研究其切削熱及熱量分配的報道，主要的原因是因?yàn)榍邢鳠岬臏y量非常困難［4］.

本文定量計算了高速銑削時切屑帶走的熱量;通過測量切削力，得到平均切削功率，計算了切屑功率、切削功率比和切屑帶走的熱量比例.用有限元法對切削熱試驗(yàn)進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致.這對研究高速銑削中的切削熱及其分配，降低刀具磨損，提高加工效率有重要的意義.

1 切削熱的解析

如圖1，用鋒利的刀具切削金屬材料時形成2個主要熱源，一個在剪切區(qū)，另一個在前刀面上，在近似的條件下，可以作如下假設(shè)［4］:

1)兩變形區(qū)切削變形功全部轉(zhuǎn)化為熱量;

2)變形區(qū)熱源為平面熱源，并且沒有熱量傳遞到外界環(huán)境中;

3)剪切面和刀－屑摩擦面處熱量均勻分布.

圖1 切削熱的傳遞示意圖

對于正交切削，設(shè)q1、q2分別為剪切面、刀 －屑界面中單位時間產(chǎn)生的切削熱，R1為剪切面熱量流向切屑的比例，R2為刀 －屑界面的熱量流向切屑的比例，qz為切削區(qū)單位時間產(chǎn)生的總熱量，qc、qw和qt分別為切屑、工件和刀具中的熱流量，A1、A2分別為剪切面積、刀 －屑接觸面積.由圖1可得

設(shè)hD為切削厚度，bD為切削寬度，φ為剪切角，F(xiàn)s、vs分別為剪切面上的剪切力和速度，F(xiàn)f、vch分別為刀 －屑界面上的摩擦力和切屑流速，lf為刀 －屑接觸長度，則剪切面和刀 －屑界面處的熱流密度q1、q2以及剪切面和前刀面的平均溫度分別為［5］:

式中:θ0為工件初始溫度;為刀具的初始溫度;為剪切面的平均溫度為刀 －屑界面的平均溫度;ρ1為工件材料在(+θ0)/2溫度時的密度;a1、a2分別為工件材料在(+ θ0)/2 和(+)/2溫度時的導(dǎo)溫系數(shù);ξ為切削變形系數(shù);vc為切削速度;kw為工件材料在(+)/2溫度時的導(dǎo)熱系數(shù);kt為刀具材料在時的導(dǎo)熱系數(shù);ˉA 為刀－屑接觸面積系數(shù).

由正交切削的幾何關(guān)系有式中，F(xiàn)c為主切削力，F(xiàn)f為進(jìn)給力，γ0為刀具前角.

由上述各式可知，只要測量出 Fx、Fy、φ和 lf等4個參數(shù)，加上已知的切削寬度bD、切削厚度hD，切削速度vc以及工件和刀具的初始溫度，從材料手冊中查出 ρ1、a1、a2、kw和 kt等物理特性值，就可計算出等參數(shù)，進(jìn)而計算出 q1、q2和 R1、R2，最后算出 qc、qw、qt和它們各自在總切削熱qz中所占的比率Rc、Rw、Rt.

2 量熱法試驗(yàn)系統(tǒng)

工件材料為 GH4169，其物理熱特性見文獻(xiàn)［6］.試驗(yàn)使用的是肯納公司生產(chǎn)的 KY2100，Sialon陶瓷刀片，ISO號RPGN120400E.銑刀刀桿代碼為KIPR125RP43540，刀桿直徑31.75 mm，三刃，在試驗(yàn)中只安裝了一個切削刃.對切削力的測量采用Kistler9265B動態(tài)測力儀，與之配套的放大器為Kistler5019電荷放大器.對水溫的測量采用鎳鉻——康銅標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和3457A HEWLETT PACKRD.試驗(yàn)中徑向切寬0.6 mm，軸向切深6 mm固定不變.

量熱法的基本原理是利用某種傳熱介質(zhì)來收集切屑和工件、刀具散失的熱，根據(jù)測量系統(tǒng)切削前后的溫差來計算切削熱［7］.如圖2所示，本試驗(yàn)在Mikron UPC710五坐標(biāo)高速加工中心上進(jìn)行.采用水為傳熱媒介，在工件內(nèi)孔正下方放置一隔熱容器(水杯)收集切屑，容器中放有溫度傳感器，并預(yù)盛一定量的水.隔熱容器底部鋪設(shè)橡塑泡沫絕熱材料;在高速銑削時，用高溫布套在刀桿上，以阻擋切屑飛出，也可起到保溫作用.由于銑刀直徑(31.75 mm)比工件內(nèi)孔(70 mm)小不了多少，因此，這可以看成是一個近似絕熱的試驗(yàn)系統(tǒng).在刀具銑削工件內(nèi)孔的過程中，含有大量切削熱的切屑連續(xù)掉入圓筒中，通過熱電偶可以測得水的溫升.

圖2 量熱法測切削熱量試驗(yàn)裝置

根據(jù)能量守恒定理，入水時切屑的熱量等于入水后切屑中剩余的切削熱與水吸收的熱量之和.設(shè)Qc、Q1、Q2分別是入水前切屑含有的切屑熱，水吸收的熱量，切屑剩余的切削熱，則

由熱量公式Q=mcΔθ得

正確、合理的思維教學(xué)策略與方法是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的保障．一般地，常用的思維教學(xué)的策略可分為以講課為基礎(chǔ)的講授策略，以事實(shí)為基礎(chǔ)的問答策略和以思維為基礎(chǔ)的問答策略３種．２種典型的思維教學(xué)方法分別為：一是以直接講授為主，以典型問題為例講解思維過程、方法和規(guī)則；二是以思維技能訓(xùn)練為主，在具體學(xué)科的教學(xué)中教某種思維技能，以綜合性項目的實(shí)現(xiàn)更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新品質(zhì)和創(chuàng)新思維[1，9-10]．

切屑的熱功率為

其中m1、mc分別是水、切屑的質(zhì)量;c1、cc分別是水、切屑的比熱容;Δθ1、Δθ2分別是水和切屑的溫升;t為銑削時間.在確定上述各參數(shù)后，即可計算出切屑中含有的切削熱以及熱功率.在銑削試驗(yàn)過程中，由于熱量會損失，因此還需要進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償方法見文獻(xiàn)［8］.

表1是KY2100銑削GH4169內(nèi)孔兩圈后測得到的水的溫升和計算出的切屑的熱量.杯中盛水20 mL，室溫19.2℃.

表1 切屑熱量試驗(yàn)結(jié)果

3 切削功率的計算

銑削實(shí)驗(yàn)中所測得的切削力 Fx、Fy、Fz并非是主切削力Ft和徑向切削力Fr，故需要將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化.軸向切削力Fz做功和徑向切削力Fr做功及其功率小至可以被忽略［9］.在一個切削周期中，令采樣點(diǎn)總數(shù)為N，那么在瞬時點(diǎn)i處的切削力分解如下:

在一個周期內(nèi)，切削功率可以表示為

式中:α為Fr與Fy的夾角，W為切削力在一個周期T內(nèi)所做的功;v為銑削速度;ˉF為平均切削力;t為刀具銑削工件的時間，t/T表示刀具切削工件的時間與切削周期的比值.因此，只要得到不同速度下的平均切削力就可以計算出平均切削功率.

4 切削熱試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為切削功率、經(jīng)過補(bǔ)償后的切屑的熱功率隨切削速度的變化曲線.切削功率取決于切削力和切削速度的乘積，雖然切削速度的提高使得切削力有所下降，但是切削功率仍然隨切削速度的增加而增加.同時，切屑的熱功率也隨著切削速度的增加而增多.這表明，單位時間內(nèi)切削力做功產(chǎn)生的熱量增多，切屑帶走的熱量也在增多，并且從圖3中可以看出，兩者增加的幅度都比較大，近似直線上升趨勢.但是在切削速度超過600 m/min以后，切削功率和切屑功率的增加變緩.

圖4是切屑所帶走的熱量比例隨切削速度的變化曲線.可以看出，在200 m/min時，由于鎳基高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，切屑帶走的熱量只占總切削熱的28%左右，而切削速度增加以后，切屑帶走的熱量比例也隨之增加.這是由于切削速度提高以后，刀屑接觸時間變短，切削熱來不及向刀具、工件傳遞就已經(jīng)被切屑帶走，使得更多的切削熱被切屑帶走.在切削路程相同時，速度提高以后，切屑的流動速度也會加快，使得切屑帶走的熱量變化不大;而切削時間減小，會使總的切削熱大大減小，因此切屑所帶走熱量的比例就會大大增加.當(dāng)速度達(dá)到1 000 m/min時，切屑所帶走的熱量約占總的切削熱量67%.

圖3 熱功率隨切削速度的變化

圖4 切屑帶走的熱量比隨切削速度的變化

圖5是切屑所帶走的熱量比例隨每齒進(jìn)給量的變化曲線.可以看出，當(dāng)每齒進(jìn)給量小于0.1 mm時，切屑所帶走的熱量比例基本上沒什么變化.當(dāng)每齒進(jìn)給量繼續(xù)增大以后，由于刀屑接觸時間變短，更多的切削熱量來不及傳遞給刀具和工件，從而被切屑帶走的熱量比例緩慢增加.

圖5 切屑帶走的熱量比隨每齒進(jìn)給量的變化

5 仿真切削結(jié)果與分析

采用有限元軟件Deform-2D提供的切削模塊仿真了切削過程，并對切削熱進(jìn)行了仿真計算.

按照切削熱的解析方法，表2為根據(jù)正交切削仿真試驗(yàn)得到的剪切角、刀屑接觸長度以及X、Y方向分力.仿真切削結(jié)果見圖6、7.

表2 切屑厚度、刀屑接觸長度和切削力的仿真結(jié)果

從圖6可以看到，隨著切削速度的提高，切屑熱功率、工件熱功率、刀具熱功率都近似線性增加，其中切屑熱功率增加最快，工件熱功率次之，刀具熱功率最小;切削速度的提高使得切屑熱量向工件和刀具傳遞的時間大大縮短，剪切面和刀－屑界面的熱量更多的被切屑帶走.

圖6 切屑、工件和刀具的熱功率仿真結(jié)果隨切削速度的變化

從圖7可以看到，隨著切削速度的提高，流入切屑的熱量比例上升，而流入工件的比例下降較快，流入刀具的熱量比例變化不大.

圖7 切屑、工件和刀具的熱分配情況仿真結(jié)果隨切削速度的變化

圖8是仿真切削與量熱法試驗(yàn)中切屑帶走的熱量比例對比圖.從圖中可以看出，隨著切削速度的提高，切屑所帶走的熱量比例增加，試驗(yàn)與仿真的趨勢是一致的.但是與試驗(yàn)值相比，仿真切削得到的結(jié)果偏大，這主要是因?yàn)榍邢鞣抡嬉糟娤鬟^程中最大切厚作為切厚，而實(shí)際銑削過程中切厚是逐漸變小的，因此仿真值比試驗(yàn)值大，切屑、工件、刀具的熱功率也都要比試驗(yàn)計算值大.

圖8 仿真切削與量熱法試驗(yàn)中切屑帶走的熱量比例

此外，低速切削時，試驗(yàn)所測得的切屑熱量值比解析值要小，而在高速切削階段，兩者很接近;這也有可能是試驗(yàn)在低速階段的集熱與量熱誤差較大，而對于高速切削熱定量分析有較好的精確性的原因.從總切削熱和進(jìn)入切屑的熱量的變化看，仿真結(jié)果與切削熱試驗(yàn)得到的熱量的變化趨勢基本一致.

6 結(jié)論

1)隨著切削速度的增加，切屑所帶走的熱量所占的比例近乎直線增加;而每齒進(jìn)給量在小于0.1 mm/z時，切屑帶走的熱量比例幾乎沒有變化，當(dāng)每齒進(jìn)給量大于0.1 mm/z以后，切屑帶走熱量的比例緩慢增加.

2)鎳基高溫合金高速切削時切屑帶走的熱量比例比碳鋼高速切削時要小得多，這會使得鎳基高溫合金在切削加工時產(chǎn)生比較高的切削溫度，刀具磨損也會嚴(yán)重得多.

3)基于解析法的有限元仿真結(jié)果與基于量熱法的切削熱試驗(yàn)結(jié)果有比較好的一致性，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性.

［1］CHOUDHURY I A，El-BARADIE M A.Machinability of nickel-base super alloys:a general review［J］.Journal of Materials Processing Technology，1998，77:278 －284.

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Study on cutting heat in high speed milling of nickel-based superalloy

XIAO Mao-hua1，2，HE Ning1，LI Liang1，LU Ai-hua1

(1.College of Mechanical＆ Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，210016 Nanjing，China，huaxmao@nuaa.edu.cn;2.College of Engineering，Nanjing Agricultural University，210031 Nanjing，China)

Based on calorimetric method，a method to measure the thermal power of chips when cutting nickelbased superalloy at high speed was introduced and the cutting power and the cutting heat in the chips was calculated by measuring cutting force.The effect of cutting parameters on chip power and cutting power，and the distribution of cutting heat were studied too.The simulation results of the cutting heat by Deform-2D agree well with the experimental results.The experimental and calculation results indicate that as cutting speed increases，the chip power and cutting power increase almost linearly;the ratio of cutting heat taken away by chips increases with the increase of cutting speed，but it is much smaller than the ratio in carbon steel cutting;the feed per tooth has a relatively small influence on the distribution of cutting heat.

nickel-based superalloy;high-speed milling;cutting heat;calorimetric method;thermal power

TG501.4

A

0367－6234(2011)11－0105－05

2010－07－08.

國家自然科學(xué)基金資助項目(50975141);航空科學(xué)基金資助項目(20091652018);國家科技支撐計劃資助項目(2008BAF32B09).

肖茂華(1981—)，男，博士研究生;

何 寧(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師;

李 亮(1973—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 楊 波)