插銑工藝中切削速度對(duì)燃燒室機(jī)匣零件表面完整性的影響

熊明和，張晟偉，唐鋆磊

(1.中國(guó)航發(fā)航空科技股份有限公司，四川 成都 610503；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

表面完整性這個(gè)概念最早由Field等于1964年明確提出[1]。表面完整性是指零件加工后的表面紋理和表面層冶金質(zhì)量，又稱表面層質(zhì)量，主要包括兩方面內(nèi)容：一個(gè)是幾何方面的，即表面形貌，通常用表面粗糙度表示；另一個(gè)是材料特征方面的，常稱為表面變質(zhì)層，包括表面層的加工硬化程度、結(jié)晶組織變化和殘余應(yīng)力等。加工表面完整性對(duì)高溫合金零件的疲勞性能有很大影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的可靠性和使用壽命取決于所用結(jié)構(gòu)材料的疲勞特性，從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過程和故障分析得知，各種形式的疲勞破壞幾乎都集中在零件的表面或接近表面的地方。當(dāng)零件處于腐蝕介質(zhì)和交變載荷的共同作用時(shí)，較差的表面完整性將會(huì)加快零件的疲勞破壞，降低零件的使用壽命[2]。本文根據(jù)插銑工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)加工后的表面變質(zhì)層、加工硬化層和白層-非晶形層進(jìn)行了研究，分析了切削速度的影響規(guī)律，為燃燒室機(jī)匣零件的銑削加工參數(shù)優(yōu)化以及表面完整性控制研究提供了相關(guān)的試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 燃燒室機(jī)匣零件特點(diǎn)

燃燒室機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，為整體機(jī)匣，材料為MSRR7192，材料主要化學(xué)成分見表1，材料硬度為500 HBW。

表1 MSRR7192材料主要化學(xué)成分

該零件總高約為600 mm，直徑為950 mm，最薄壁厚為2 mm，零件內(nèi)型有20個(gè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)區(qū)域距離大端約為240 mm，懸伸較長(zhǎng)，內(nèi)型面復(fù)雜，銑加工任務(wù)量大(外型面示意圖如圖1所示，內(nèi)型面示意圖如圖2所示)，使用彎頭加工效率低，因此引進(jìn)插銑加工方法。

圖1 燃燒室機(jī)匣外形面示意圖

圖2 燃燒室機(jī)匣內(nèi)型面示意圖

由于其工作環(huán)境處于高溫高壓狀態(tài)，其表面完整性要求較高。為了滿足零件壽命和性能，其表面完整性有特殊要求(見表2)。

表2 燃燒室機(jī)匣表面質(zhì)量要求

1.2 插銑原理

插銑法又稱為Z軸銑削法，是實(shí)現(xiàn)高切除率最有效的加工方法之一。插銑加工時(shí)，刀具沿主軸方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，利用底部的切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削。插銑完一刀后，軸向抬刀，水平進(jìn)給1個(gè)步距S，移動(dòng)到下一個(gè)加工點(diǎn)，再進(jìn)行第2刀插銑，如此反復(fù)，直至加工完成。插銑工藝機(jī)理圖如圖3所示。

圖3 插銑工藝機(jī)理圖

刀具繞自身中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且沿軸向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)， 因此刀刃上的每個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡形成了不同半徑的圓柱螺旋線，所有點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的集合組成了一個(gè)螺旋面，即切削平面，利用CATIA可以得到刀尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(見圖4)。

圖4 刀尖點(diǎn)軌跡螺旋線圖

1.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)加工設(shè)備為DUM125P五軸數(shù)控加工中心，冷卻液為16EP，濃度為8%～9%，內(nèi)冷壓力為20 bar，外冷壓力為6 bar。所使用的刀具型號(hào)見表3。其中，圓刀片刀頭示意圖如圖5所示，抗震刀柄示意圖如圖6所示。

表3 試驗(yàn)刀具采用SECO涂層硬質(zhì)合金刀片

圖5D32R5插銑刀刀頭示意圖

圖6插銑刀抗震刀柄示意圖

機(jī)械加工參數(shù)見表4。為了保證加工后表面粗糙度為Ra3.2 μm，fz和S設(shè)為恒定值。為了合理利用刀片保證加工的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)vc為25～45 m/min，ap為恒定值。

表4 機(jī)械加工參數(shù)

根據(jù)上述所使用的設(shè)備、刀具及加工參數(shù)編制出加工程序，其加工刀具路徑示意圖如圖7所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的刀具加工狀態(tài)如圖8所示。

圖7加工刀具路徑示意圖

圖8試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的刀具加工狀態(tài)

試驗(yàn)中，每組參數(shù)加工都選用新的切削刃進(jìn)行加工。試驗(yàn)完成后，采用線切割對(duì)加工試樣進(jìn)行分割，然后制備金相試樣并進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑配比見表5，采用Leica DM6000M設(shè)備進(jìn)行微觀形貌觀察。

表5 腐蝕劑配比表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削速度對(duì)變質(zhì)層的影響

表面變質(zhì)層是一種形成條件極寬、表現(xiàn)形式各異的微觀組織結(jié)構(gòu)，根據(jù)加工方法的不同，變質(zhì)層的微觀組織及力學(xué)性能存在差異。不同加工條件下獲得的材料截面形貌如圖9所示，不同切削速度下獲得的變質(zhì)層厚度情況如圖10所示。

圖9 不同加工條件下獲得的材料截面形貌

圖10 切削速度與變質(zhì)層厚度的關(guān)系曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)切削速度<30 m/min時(shí)，由于機(jī)械擠壓過程產(chǎn)生了較大的塑性變形，因此出現(xiàn)了變質(zhì)層；當(dāng)切削速度為30.1～37.7 m/min時(shí)，由于刀具接觸時(shí)間減少等綜合作用的結(jié)果，未達(dá)到變質(zhì)層的臨界條件，因此未出現(xiàn)變質(zhì)層；當(dāng)切削速度>37.7 m/min時(shí)，溫度升高，塑性變形增大，刀具磨損加劇，變質(zhì)層厚度將逐漸加厚，出現(xiàn)的最大變質(zhì)層厚度為0.027 mm。從上述數(shù)據(jù)可以看出，變質(zhì)層的形成依賴于切削加工條件，隨著刀具磨損量增加，表面塑性變形和結(jié)構(gòu)變質(zhì)層相應(yīng)增加[3-5]，而且隨著刀具磨損狀態(tài)的加劇，加工表面變質(zhì)層發(fā)生更嚴(yán)重的塑性變形，加工表面影響區(qū)深度增加[6]。

2.2 切削速度對(duì)加工硬化層的影響

金屬切削加工過程中，表層金屬受到了復(fù)雜的塑性形變，使晶格扭曲畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長(zhǎng)，使表面層金屬的硬度增加，統(tǒng)稱為加工硬化。加工硬化會(huì)減少金屬塑性，金屬的物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。不同切削加工條件下獲得的變形層情況如圖11所示，切削速度和加工硬化層厚度之間的關(guān)系如圖12所示。

圖11 不同切削加工條件下獲得的變形層情況

圖12 切削速度與加工硬化層厚度的關(guān)系曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)切削速度為25～32 m/min時(shí)，表面的加工硬化呈上升趨勢(shì)；當(dāng)切削速度從32 m/min上升到35 m/min時(shí)，加工硬化程度呈減小趨勢(shì)。這種加工硬化程度的減小主要是由于刀具與工件的作用時(shí)間減少，使塑性變形的擴(kuò)展深度減小，使硬化來不及進(jìn)行，并且增高切削溫度，切削熱引起的軟化，因此表面硬化程度減小[7]。而后隨著切削速度的進(jìn)一步提高，加工硬化層的厚度又迅速增加，這是因?yàn)榍邢鳒囟入S切削速度的上升而持續(xù)上升，單位時(shí)間的金屬去除率顯著提高，材料變形程度的增大，刀工的摩擦作用的加劇，表面氧化作用增強(qiáng)，切削加工表面層始終處于高應(yīng)變和高應(yīng)變率狀態(tài)下，同時(shí)切削加工產(chǎn)生的切削熱的大部分被切屑帶走，材料表層塑性變形的速度大于溫度軟化的速度，使得加工硬化程度增加[8]。

2.3 切削速度對(duì)白層-非晶形層的影響

白層是指在不同條件下存在于金屬材料表面或者亞表面下的，經(jīng)金相試劑浸蝕后在光學(xué)顯微鏡下無特征形貌并呈白色的硬層的通稱。白層有2個(gè)顯著的特征：比基體硬度高和無特征組織形貌。在硬態(tài)切削中在已加工表面極易出現(xiàn)白層，與基體相比，白層通常是硬相組織，并且導(dǎo)致表面變得很脆，從而進(jìn)一步引起裂紋的滲透使產(chǎn)品失效。不同切削速度下獲得的材料截面形貌如圖13所示，切削速度與白層-非晶形層厚度的關(guān)系如圖14所示。

圖13 不同切削速度下獲得的材料截面形貌

圖14 切削速度與白層-非晶形層厚度的關(guān)系曲線

圖13顯示白層-非晶形層是同時(shí)出現(xiàn)的，但當(dāng)切削速度為27.6～35.1 m/min時(shí)未出現(xiàn)白層-非晶形層；當(dāng)切削速度到達(dá)35.2 m/min時(shí)出現(xiàn)了較薄的白層-非晶層，隨后該層隨著切削速度的上升而不斷增厚；當(dāng)切削速度為45.2 m/min時(shí)，出現(xiàn)的白層-非晶層厚度約為6.739 μm。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，白層的形成依賴于切削速度，隨著切削速度的增大，切削溫度的增加，白層厚度將逐漸加厚。這表明本研究中白層的形成一方面是機(jī)械載荷作用下劇烈塑性變形的結(jié)果[9]，其主要前提是切削速度不高；另一方面，白層的形成依賴于材料本身和切削加工條件[10-11]，其厚度取決于切削速度、刀具的刀面磨損、進(jìn)給速度、切削深度、刀尖圓弧半徑、硬車削機(jī)床和材料屬性等。

3 結(jié)語

本文對(duì)高溫鎳基合金燃燒室外機(jī)匣零件插銑工藝的切削速度對(duì)變質(zhì)層、加工硬化層、白層-非晶層的影響規(guī)律展開了研究，得到結(jié)論如下。

1)當(dāng)插銑切削速度為30～35 m/min時(shí)，能夠達(dá)到燃燒室外機(jī)匣零件表面完整性要求，即適用于現(xiàn)場(chǎng)加工的主軸轉(zhuǎn)速為300～350 r/min。

2)變質(zhì)層的形成依賴于切削加工條件，與切削速度密切相關(guān)。當(dāng)切削速度>37.7 m/min時(shí)，變質(zhì)層厚度隨著切削速度的增大而增大。

3)當(dāng)切削速度為30～35 m/min時(shí)，隨著切削速度的增加，加工硬化程度有減小的趨勢(shì)；但當(dāng)切削速度>35 m/min時(shí)，隨著切削速度的增大，整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

4)白層-非晶形層的形成依賴于切削速度。當(dāng)切削速度為35～45 m/min時(shí)，隨著切削速度的增大，切削溫度上升以及刀具磨損加劇，白層厚度將逐漸加厚。

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