切削用量對鎳基高溫合金GH4169表面粗糙度試驗研究*

梁軍華，趙松濤，李小強(qiáng)

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 德陽　618000；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都610031)

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切削用量對鎳基高溫合金GH4169表面粗糙度試驗研究*

梁軍華1,2，趙松濤1，李小強(qiáng)1

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 德陽618000；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都610031)

摘要：文章在單因素條件下進(jìn)行了車削GH4169的表面粗糙度試驗，得到了切削用量(切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量)的改變對表面粗糙度Ra、Rmr(c)的影響規(guī)律，分析了所導(dǎo)致表面粗糙度變化的原因。試驗結(jié)果表明：表面粗糙度值Ra的影響程度從大到小依次為進(jìn)給量、切削速度和背吃刀量。Ra值隨著進(jìn)給量的增加呈線性增大，Ra值隨著切削速度增大呈先減小后增大，Ra值隨背吃刀量的增加而緩慢增大。背吃刀量對粗糙度輪廓的支承長度率Rmr(c)的影響最大，切削速度次之，進(jìn)給量影響較小。

關(guān)鍵詞：車削；GH4169；切削用量；表面粗糙度

0引言

鎳基高溫合金因具有工作溫度高、抗氧化、熱腐蝕性好等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，是制造航空航天渦輪發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)輪盤、工作葉片、導(dǎo)向熱片和燃燒室等重要零部件材料[1]。

國產(chǎn)牌號GH4169(相當(dāng)于美國牌號Inconel718)是使用量最大的鎳基高溫合金之一，屬于典型的難加工材料，加工過程中加工硬化嚴(yán)重、切削力大、刀具磨損劇烈、切屑粘刀、切削溫度高和切削變形大等一系列問題，使得產(chǎn)品表面質(zhì)量不易保證和加工精度不穩(wěn)定[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對鎳基高溫合金GH4169的切削加工性能進(jìn)行了相關(guān)研究。Liao和Shiue研究了P20和K20兩種不同類別硬質(zhì)合金刀具的磨損機(jī)理，當(dāng)切削速度為vc=35m/min時，切削溫度達(dá)到1000℃；P20刀具的磨損不均勻，溝槽和后刀面磨損比K20刀具要嚴(yán)重的多[3]。在濕切削狀態(tài)下，用PVDTiN、TiCN和TiAlN三種涂層硬質(zhì)合金刀具車削Inconel718時，TiAlN和TiCN涂層刀具的切削性能優(yōu)于TiN涂層刀具[4]。

Thakur等對使用硬質(zhì)合金K20刀具高速車削Inconel718時產(chǎn)生的切削力進(jìn)行了研究，當(dāng)切削速度介于45～55m/min之間時，在f=0.08mm/r表面質(zhì)量獲得最佳值[5]；R.T.Coelho等人在2004 年也進(jìn)行了鎳基高溫合金Inconel718 高速切削實驗，研究了不同刀片形狀不同刀具材料對表面質(zhì)量、切削溫度和刀具磨損的影響[6]。

Darwish分別使用陶瓷刀具和CBN刀具切削Inconel718研究切削參數(shù)對Inconel718加工表面粗糙度的影響規(guī)律[7]；Alauddin等使用非涂層硬質(zhì)合金刀片立銑加工Inconel718，采用響應(yīng)曲面法建立了表面粗糙度數(shù)學(xué)模型[8]。山東大學(xué)黃雪紅、趙軍用PVD涂層硬質(zhì)合金刀具高速車削Inconel718，研究了進(jìn)給量、切削深度、切削速度和后刀面磨損量對表面粗糙度的影響規(guī)律[9]。

1試驗條件

(1)試驗車床：C620-1普通車床，1200r/min以下無級調(diào)速。

(2)試驗刀具：試驗選用美國Kennametal公司生產(chǎn)的PVD涂層硬質(zhì)合金刀具KC5510型號為SNGG120408FS，刀桿型號為MCLNR2525M12，刀具幾何參數(shù)詳見表1。

表1　試驗用刀具幾何參數(shù)

(3)試驗材料：GH4169鎳基高溫合金，規(guī)格：φ60×70mm；其化學(xué)成分與機(jī)械性能分別如表2和表3所示。

表2　GH4169典型的化學(xué)成分/%

表3　GH4169常溫時力學(xué)性能

(4)表面粗糙度測量系統(tǒng)，使用上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的JB-5C粗糙度輪廓儀，如圖1所示。

圖1　表面粗糙度測量系統(tǒng)

2試驗內(nèi)容及結(jié)果

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[9]，規(guī)定采用中線制(輪廓法)評定表面粗糙度，Ra是指輪廓的算術(shù)平均偏差，Rmr(c)是指粗糙度輪廓的支承長度率，相當(dāng)于舊標(biāo)準(zhǔn)中形狀特征參數(shù)tp。

本試驗采用單因素方法對GH4169進(jìn)行干切削，參考文獻(xiàn)[10]的研究方法，研究切削用量(切削速度vc、進(jìn)給量f、背吃刀量ap)對表面粗糙度Ra、Rmr(c)的影響規(guī)律。

2.1切削速度vc的改變對表面粗糙度的影響

表面粗糙度Ra隨切削速度改變的變化規(guī)律如圖2a所示，其中f=0.15mm/r，ap=0.20mm，vc分別取30、50、70、90和110m/min。

圖2　Ra、Rmr(c)隨切削速度vc的變化規(guī)律

從圖2a可知，當(dāng)切削速度在30～110m/min之間變化時，表面粗糙度Ra值隨著切削速度增大呈先減小后增大趨勢，Ra變化幅度在0.4μm左右，在速度為90m/min時Ra值最小(0.7μm)。

當(dāng)vc在30～90m/min之間時，切削速度較低時在刀具前刀面形成了積屑瘤和鱗刺，已加工表面粗糙度值較大，隨著車削速度的提高，積屑瘤和鱗刺等缺陷逐漸減少甚至消失，粗糙度值逐漸減小。當(dāng)vc在90～110m/min之間時，隨著切削速度的增大，切削溫度升高，刀具后刀面磨損加劇，同時易出現(xiàn)切屑與加工表面之間的粘結(jié)，在剪切分離的過程中部分已加工表面的工件材料被切屑帶走或部分切屑粘結(jié)在已加工表面，導(dǎo)致表面粗糙度增大。

2.2進(jìn)給量f的改變對表面粗糙度的影響

表面粗糙度Ra隨進(jìn)給量f改變的變化規(guī)律如圖3a所示，其中vc=50m/min，ap=0.20mm，f分別取0.10、0.15、0.20、0.26和0.33mm/r。

理論殘留面積高度差為Rmax，則有：

進(jìn)給量影響著工件表面殘余幾何面積的大小，因此直接影響到表面粗糙度大小，增大進(jìn)給量就增大了切削殘留面積。

從圖3a可知，當(dāng)進(jìn)給量在0.10～0.33mm/r之間變化時，表面粗糙度Ra值隨著進(jìn)給量的增加呈線性增大。在進(jìn)給量f<0.15mm/r的情況下，切削厚度也比較小，工件上的殘留高度以及切削力、切削振動等也比較小，Ra值隨進(jìn)給量的變化不是太大。在進(jìn)給量f>0.15mm/r的情況下，Ra值隨進(jìn)給量的變化顯著。

圖3　Ra、Rmr(c)隨進(jìn)給量f的變化規(guī)律

2.3背吃刀量ap的改變對表面粗糙度的影響

表面粗糙度Ra隨背吃刀量ap改變的變化規(guī)律如圖4a所示，其中vc=50m/min，f=0.22mm/r，ap分別取0.10、0.20、0.30、0.40和0.50mm。

圖4　Ra、Rmr(c)隨背吃刀量ap的變化規(guī)律

從圖4a可知，當(dāng)背吃刀量在0.10～0.50mm之間變化時，表面粗糙度Ra值隨背吃刀量的增加而增大，背吃刀量的增大，切削力變大，切屑與刀具前刀面擠壓嚴(yán)重，材料容易發(fā)生粘結(jié)。

2.4切削速度vc、進(jìn)給量f和背吃刀量ap的改變對粗糙度輪廓的支承長度率Rmr(c)的影響

粗糙度輪廓的支承長度率曲線表明了粗糙度輪廓在高度方向支承面積的變化規(guī)律。表面粗糙度的輪廓形狀和加工紋路方向?qū)σ鸭庸け砻娴哪湍バ阅苡酗@著的影響。

不同加工方法產(chǎn)生的表面輪廓盡管Ra值可能相同，但由于表面輪廓形狀的差異，使零件間的潤滑油的存留情況和實際接觸面積發(fā)生了很大變化，已加工表面的耐磨性能就相差甚遠(yuǎn)。

從圖2b、圖3b和圖4b可知，切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量的改變對表面粗糙度Rmr(c)的影響規(guī)律不同，影響程度從小到大依次為進(jìn)給量、切削速度和背吃刀量。

3結(jié)束語

本文闡述了國內(nèi)外學(xué)者對鎳基高溫合金GH4169的切削加工性能進(jìn)行了相關(guān)研究，在本文實驗條件下，由試驗結(jié)果分析可知，可得以下兩個結(jié)論：

(1)進(jìn)給量對表面粗糙度值Ra的影響顯著，Ra值隨著進(jìn)給量的增加呈線性增大；切削速度次之，表面粗糙度Ra值隨著切削速度增大呈先減小后增大趨勢；背吃刀量影響較小，隨背吃刀量的增加而緩慢增大。

(2)切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量的改變對粗糙度輪廓的支承長度率Rmr(c)的影響規(guī)律不同，Rmr(c)的影響程度從小到大依次為進(jìn)給量、切削速度和背吃刀量。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉鑫源.鎳基高溫合金高效切削加工質(zhì)量控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2] 李安海，趙軍，王澤明，等.高速側(cè)銑鎳基合金Inconel718切削力試驗研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010(10):75-78.

[3]LiaoYS,ShiueRH.CarbidetoolwearmechanisminturningofInconel718superalloy[J].Wear.1996，193(1)：16-24.

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[5]ThakurDG.StudyonthemachinabilitycharacteristicsofsuperalloyInconel718duringhighspeedturning[J].MaterialsandDesign.2008,7(11)：1-6.

[6]RTCoelho,LRSilva,ABraghini,eta1.SomeeffectsofcuttingedgepreparationandgeometricmodificationswhenturningINCONEL718TMathighcuttingspeeds[J].MechanicalEngineer,2004：12-15.

[7]SMDarwish.Theimpactofthetoolmaterialsandcuttingparametersonsurfaceroughnessofsupermet718nicklsuperalloy[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology,2000，97：10-18.

[8]MAlauddin,eta1．OptimizationofsurfacefinishinendmillingInconel718[J]．MaterialsProcessingTechno-Logy,1996(56)：54-65.

[9]GB/T1031-2009，《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[10] 黃雪紅.鎳基合金Inconel718高速車削摩擦磨損行為研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0038-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.011

收稿日期：2016-02-14；修改日期： 2016-03-07

*基金項目：四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年度科研項目(YJ2015KY-09)；2015年度德陽市科技支撐計劃項目(JYCC20150035)

作者簡介：梁軍華(1984—)，男，四川遂寧人，西南交通大學(xué)博士研究生，研究方向為智能化狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，(E-mail) 986014733@qq.com。

中圖分類號：TH161；TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Experiment Investigation of Surface Roughness during Turning Superalloy Inconel GH4169 withDifferentCuttingParameter

LIANG Jun-hua1,2,ZHAO Song-tao1,LI Xiao-qiang1

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China;2.School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Abstract：Effect of cutting parameter on surface roughness is investigated when turning superalloy Inconel GH4169.The influence regularity of surface roughness is obtained when cutting parameter is changing.The cause of surface roughness between different cutting parameter is analyzed comparatively.The result of the experiment indicates that with the three types of cutting parameter,feed rate has much larger effect on Ra of surface roughness, cutting speed has a large effect on Ra of surface roughness, while the effect of cutting depth is less.The Ra value increased linearly with the feed,The Ra value decreases and then increases with the increase of the cutting speed,The Ra value increases slowly with the increase of cutting depth.The effect of cutting speed on material ratio of the roughness profile is more than feed rate,and cutting depth exerts more influence.

Key words：turning;GH4169;cutting parameter;surface roughness