陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金銑削力實驗研究

白玉婷， 郭延艷， 趙 燦

(1．黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，哈爾濱150022;2．黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心，哈爾濱150022)

0 引 言

高速銑削加工技術(shù)作為機械加工技術(shù)的主流方向，其優(yōu)勢主要在于可以在降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、提高表面質(zhì)量和加工精度的條件下加工難加工材料。鎳基高溫合金因具有良好的高溫強度、硬度、熱穩(wěn)定和熱疲勞等特性，在航空、航天、核電、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。該類材料屬于難加工材料，在銑削過程中存在著銑削力大、銑削溫度高以及刀具磨損嚴(yán)重等問題，進而引起產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注［1］。高速銑削鎳基高溫合金方面，國內(nèi)外學(xué)者對硬質(zhì)合金、圓形刀片的銑削性能［2－3］、圓形刀片的表面完整性［4］、銑削溫度［5］、陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金的銑削加工性［6－7］進行了大量的研究。對于陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金的研究相對較少。

高速銑削過程中銑削力的改變會影響銑削加工時切屑的形成，切屑的形成又會影響到加工零件的表面質(zhì)量。銑削力是否改變與銑削參數(shù)、刀具、工件材料等因素有關(guān)，改變其中任何一個條件都會引起銑削力的變化。因此，研究高速銑削過程中產(chǎn)生的銑削力是眾多學(xué)者關(guān)注的課題之一。

筆者針對高溫合金GH3039 銑削加工性差的特點，首先通過單因素實驗分析各銑削參數(shù)對銑削力大小的影響規(guī)律，再試圖從中選擇適宜的銑削參數(shù)進行正交實驗，根據(jù)正交實驗，建立高速銑削鎳基高溫合金GH3039 時銑削力的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

1 GH3039 高溫合金

GH3039 是單相奧氏體固溶強化型合金，固溶時效或使用后，其中會有少量的Ti(CN)、NbC 及M32C6碳化物析出，且在600～700 ℃范圍內(nèi)會均勻分布于晶內(nèi)和晶界，當(dāng)高于700 ℃后，會沿著晶界析出并聚集長大。同時GH3039 具有組織穩(wěn)定性好、形成有害相少、在800 ℃以下具有中等的熱強性和良好的熱疲勞性能、1 000 ℃以下抗氧化性能良好［2］。適宜于850 ℃以下長期使用的航空發(fā)動機燃燒室零部件。

GH3039 是一種多元合金，其主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示。GH3039 高溫合金銑削性能較差，為保證表面加工質(zhì)量，降低加工成本，對其銑削加工過程進行研究。

表1 GH3039 主要化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Main chemical components of GH3039

2 GH3039 銑削實驗

2.1 實驗條件

實驗機床為奧地利MC120 －60 型數(shù)控立式加工中心，加工精度和重復(fù)定位精度均高于國內(nèi)數(shù)控加工中心，具有可以實現(xiàn)自動換刀的刀庫系統(tǒng)，可實現(xiàn)復(fù)雜曲面的銑削加工及多工位加工。機床主要技術(shù)參數(shù):主軸功率22.5 kW，轉(zhuǎn)速50～12 000 r/min。

銑削力測量儀器采用瑞士奇的KISTLER9527B三向動態(tài)壓電式測力儀、Kistler5070A 電荷放大器。測力儀具有一定的抗環(huán)境干擾能力，穩(wěn)定性和可靠性較高。并具有高強度、高靈敏度、固有頻率高的優(yōu)點，可以很好地滿足動、靜態(tài)測試要求，可測出任意相互垂直的Fx、Fy、Fz三向銑削力。測試系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 測試系統(tǒng)Fig．1 Test system

陶瓷刀具具有優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和很高的硬度HRC93～95，從而可以加工諸如GH4169、GH3039 等難以加工的材料。陶瓷刀具的化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具，可在高速條件下銑削加工并持續(xù)較長時間，提高效率3～10 倍［8］。實驗采用刀具為綠葉WG300 陶瓷刀具，直徑φ8 mm，刀片型號RPGN － 2.52T1A，刀桿型號WSRP － 2520R，直徑φ25 mm。

2.2 實驗方案

在研究高溫合金GH3039 銑削性能時，選取順銑銑削方式，銑削過程如圖2 所示。

銑削方案采取兩種方式，即單因素實驗方案和正交實驗方案。

2.2.1 單因素實驗

單因素實驗方案的設(shè)定，是為了得到在不同銑削參數(shù)下銑削力的變化情況，以及銑削參數(shù)對切屑宏觀形態(tài)的影響。首先，設(shè)定單因素實驗方案，即在每組實驗中選擇三個固定量和一個改變量，然后，對其進行銑削力的測量，得到該銑削條件下的銑削力數(shù)值。為了提高實際生產(chǎn)加工中的生產(chǎn)效率，在粗加工階段選擇陶瓷刀具進行全齒加工，即不改變銑削寬度ae=17 mm，實驗具體參數(shù)數(shù)值及測量結(jié)果如表2～4 所示。表2 是銑削深度ap=1.5 mm、ae=17 mm、每齒進給量fz=0.15 mm 的不同銑削速度下的銑削力數(shù)值;表3 是vc=210 m/min、ap=1.5 mm、ae=17 mm 的不同每齒進給量下的銑削力數(shù)值;表4是vc=210 m/min、fz=0.15 mm、ae=17 mm 的不同背吃刀量下的銑削力數(shù)值。

圖2 銑削加工過程Fig．2 Milling progress

表2 不同銑削速度下三向銑削力數(shù)值Table 2 Three dimensional milling force numerical in different milling speed

表3 不同每齒進給量下三向銑削力的數(shù)值Table 3 Three dimensional milling force numerical in different feed engagement

表4 不同背吃刀量下三向銑削力的數(shù)值Table 4 Three dimensional milling force numerical in different milling depth

2.2．2 正交實驗

根據(jù)機械加工手冊，結(jié)合實驗設(shè)備自身條件，選取不同的銑削參數(shù)因素和水平進行實驗安排，全齒銑削得到三因素四水平的正交實驗，見表5，其中各銑削加工參數(shù)銑削深度ap(A)分別為1、1.2、1.5、1. 7 mm;銑削速度vc(B)分別為240、260、290、320 m/min;每齒進給量fz(C)分別為0.1、0.12、0.15、0.17 mm;銑削寬度ac(D)均為17 mm。

通過軟件對每一組方案的銑削力進行分析后，得到其平均值，正交實驗得到的16 組銑削加工實驗的銑削力數(shù)值，如表5 所示。

表5 正交銑削實驗方案及測量結(jié)果Table 5 Test program and measure result of orthogonal cutting

2.3 銑削參數(shù)對銑削力的影響

單因素銑削力測量實驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 單因素銑削參數(shù)對銑削力的影響Fig．3 Effect of single factor milling parameters on milling force

由圖3a 看出，隨著銑削速度的增大，三向銑削力呈遞減的趨勢。高速銑削理論認(rèn)為，隨著銑削速度的提高，銑削力先增高，當(dāng)銑削速度達到一定值后，隨著銑削速度的升高，銑削力逐漸減小。實驗中并無此現(xiàn)象，說明實驗用銑削速度已經(jīng)達到一個臨界值。在達到高速銑削范圍加工時，材料的銑削機理發(fā)生改變，被銑削金屬層發(fā)生絕熱剪切，內(nèi)部產(chǎn)生突變滑移，可以實現(xiàn)在較小的銑削力下對工件進行加工。

由圖3b 看出，隨著每齒進給量的增加，z 向力變化不大，呈緩慢遞增，x、y 向力則呈遞增趨勢。每齒進給量的增加使單位時間內(nèi)材料去除率增加，刀具單位時間內(nèi)進行銑削的面積增大，進而使刀具與工件之間的摩擦作用加大，銑削力大幅度增大。

由圖3c 看出，隨著背吃刀量的增大，三向銑削力均呈遞增趨勢，其中z 向銑削力變化緩慢。背吃刀量增加使銑削加工單位時間的刀具銑削面積增大，摩擦力增大，銑削力增大。由銑削面積公式Ac=apf 知，進給量或背吃刀量的增大都能引起銑削面積的增大，即加工時刀具前刀面與工件材料的摩擦力增大，使得銑削力增大。

上述結(jié)論與文獻［2］相同，說明不論是在常規(guī)銑削條件下還是高速銑削，銑削力的變化趨勢是一致的。

2.4 銑削力經(jīng)驗公式

高速銑削加工在選擇銑削參數(shù)時，沒有成熟的公式或數(shù)據(jù)來參考，因此，在實際中會通過大量的實驗數(shù)據(jù)進行分析，建立適合的銑削力預(yù)測模型。

對于四個銑削因素，根據(jù)金屬銑削原理，建立銑通用形式:

式(1)中C 取決于加工材料和銑削條件的系數(shù)，ap為背吃刀量、vc為銑削速度、vf為進給量、ae為銑削寬度，其中vf可表示為

式中:m——刀齒數(shù);

n——主軸轉(zhuǎn)速。

采用多元線性回歸分析的方法，進行擬合，建立GH3039 材料銑削力經(jīng)驗公式。得出指數(shù)形式銑削力:

根據(jù)表6 的實驗數(shù)據(jù)，采用極差分析方法，可以求出不同銑削參數(shù)對三向銑削力的影響數(shù)值。正交實驗結(jié)果極差分析見表6。由表6 知，對于Fx，背吃刀量對其影響最大，其次為每齒進給量，影響最小的為銑削速度;對于Fy，最為顯著的影響因素是每齒進給量，其次為背吃刀量，影響最小的是銑削速度;對于Fz，參數(shù)的對其影響從大到小依次為背吃刀量、銑削速度和每齒進給量。由極差分析后得到的最優(yōu)參數(shù)為ap=1.7 mm，n=4 500 r/min，fz=0.1 mm。

通過極差分析可以得出不同銑削參數(shù)對銑削力的影響情況，如表6 所示，即可分析出不同因素不同水平值對銑削力的影響程度的大小及變化規(guī)律。圖4給出了銑削參數(shù)與銑削力的關(guān)系曲線。

表6 正交實驗結(jié)果極差分析Table 6 Rage analytical statement of orthogonal test N

圖4 銑削參數(shù)對銑削力的影響Fig．4 Influence of cutting parameters to cutting forces

由圖4a 可以看出隨著背吃刀量的增大，x、y、z向銑削力在ap=1～1.5 mm 范圍內(nèi)是小幅度減小的，之后則呈增大趨勢;由圖4c 知隨每齒進給量的增大，F(xiàn)x、Fy銑削力呈增大趨勢，F(xiàn)z向銑削力則先增大后減小再增大;圖4b 顯示銑削速度與銑削力的關(guān)系曲線，隨著銑削速度的提高，x、z 向銑削力變化趨勢相近，整體呈減小趨勢，y 向銑削力先減小，v≥260 m/min 后呈增大趨勢。對于不同銑削參數(shù)下Fz的變化趨勢都比較緩慢，原因是在背吃刀量一定情況下，材料的去除方向主要在x、y 兩個方向進行，所以z 向上的銑削力比較小而且趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

高速銑削技術(shù)可以減少加工時間，提高刀具壽命，已在德美日等工業(yè)發(fā)達國家得到廣泛應(yīng)用。通過對陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金GH3039 的單因素實驗和正交實驗，分析銑削參數(shù)對銑削力的影響規(guī)律，建立銑削力的經(jīng)驗公式，并通過極差分析得出最優(yōu)銑削參數(shù)，實驗結(jié)果可為該材料加工過程中的銑削參數(shù)選擇提供可靠依據(jù)。

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