鎳基合金低溫切削加工參數(shù)對(duì)切削力和粗糙度的影響

和豪濤 張新文 李金輝

（①河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南鄭州 450005；②河南科技大學(xué)車輛與交通學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003）

相對(duì)于其他類型的多晶體金屬，鎳基合金具備更優(yōu)綜合力學(xué)特性，目前已成為航空器材、軍工武器、精密探測(cè)儀器及醫(yī)療器材等領(lǐng)域的重要應(yīng)用材料[1-3]。從合金加工性能角度分析，由于其玻璃形成能力有限，到目前為止尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)大塊結(jié)構(gòu)的鎳基合金完成工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的目標(biāo)，還有許多產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題需要克服[4]。相對(duì)其他大部分成型加工方法，高壓壓鑄處理技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程穩(wěn)定、優(yōu)異成型性能以及達(dá)到近凈成型的效果，這使其成為當(dāng)前鎳基合金部件工業(yè)化制造的關(guān)鍵技術(shù)[5-6]。但采用真空壓鑄工藝制備的非晶零件并不能完全滿足實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)應(yīng)通過(guò)優(yōu)化切削加工方法來(lái)達(dá)到更高精度的尺寸控制并提升表面質(zhì)量，同時(shí)也可以采用該加工技術(shù)得到鑄造工藝無(wú)法成型的外形結(jié)構(gòu)[7]。

進(jìn)入切削加工階段后，應(yīng)對(duì)各類工件設(shè)置合適的夾具[8]。選擇機(jī)械夾具進(jìn)行處理時(shí)，如果產(chǎn)生很大的夾持應(yīng)力載荷時(shí)將會(huì)引起工件發(fā)生變形或出現(xiàn)表面破損的結(jié)果；當(dāng)使用磁力夾具時(shí)則無(wú)法滿足對(duì)無(wú)磁性材料發(fā)揮作用。王鳳彪與Wang Y Q[9-10]則通過(guò)液氮冷凍的方式開(kāi)發(fā)了冰固低溫加工技術(shù)，從而達(dá)到高效加工鈦合金、鎳合金與鋁合微孔結(jié)構(gòu)的效果。吳世雄[11]在液氮低溫環(huán)境中研究了淬硬鋼進(jìn)行高速車削加工時(shí)產(chǎn)生的切屑特點(diǎn)并深入分析了刀具的磨損作用機(jī)制，比較了不同液氮冷卻時(shí)間對(duì)淬硬鋼的高速切削特性的影響，之后與干切模式進(jìn)行相互比較。戴明華[12]針對(duì)航空航天領(lǐng)域的鈦合金材料進(jìn)行了加工特性研究，對(duì)比了液氮超低溫條件下不同切削方式差異性及對(duì)鈦合金力學(xué)特性的影響。李爽[13]對(duì)刀具進(jìn)行低溫切削測(cè)試發(fā)現(xiàn)切削力呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)銑削處理后有效減輕了表面鋁基體開(kāi)裂以及剝落程度,顯著抑制了表面損傷并達(dá)到更小的粗糙度,采用低溫銑削方法能夠促進(jìn)表面質(zhì)量的顯著改善。但上述方法將液氮持續(xù)通入工作臺(tái)內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)冰層保溫的作用，會(huì)造成較大浪費(fèi)，提高了整體運(yùn)行成本。同時(shí)處于低溫液氮運(yùn)行工況下時(shí)，鎳基合金將具備更高抗壓強(qiáng)度[14]，引起切削階段刀具受到強(qiáng)烈磨損而發(fā)生崩刃，最終造成提前失效的后果。

本文設(shè)計(jì)了一種冷凍盤(pán)夾具對(duì)鎳基合金進(jìn)行銑削加工，針對(duì)冷凍銑削階段的鎳基合金氧化后形成燃燒發(fā)光現(xiàn)象開(kāi)展了深入探討，同時(shí)分析了切削力與進(jìn)給量、切削速度之間的關(guān)系。利用無(wú)晶化低溫切削方法處理鎳基合金，為設(shè)計(jì)更優(yōu)結(jié)構(gòu)的鎳基合金刀具提供了參考價(jià)值。

1 鎳基合金冷凍銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工件材料

選擇組成為Zr40Ti15Cu10Ni12.5Be22.5的鎳基合金作為測(cè)試材料。此類非晶試樣通過(guò)高壓真空壓鑄的方法進(jìn)行制備。在鑄造階段一直通入高純氬氣提供保護(hù)，在加入99.5%純度的Zr與99.99%的其他各類成分進(jìn)行熔煉得到母錠；將上述母錠依次經(jīng)過(guò)破碎、加壓與熔融處理再將其壓入模具內(nèi)，接著對(duì)其施加高壓作用完成快速冷凍，由此制得尺寸100 mm×50 mm×2 mm的非晶態(tài)板料。

1.2 試驗(yàn)裝置與方案

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)冷凍盤(pán)夾具進(jìn)行工件位置固定，在低溫環(huán)境中加工得到非晶態(tài)合金試樣，圖1給出了本實(shí)驗(yàn)使用的裝置和工件固定結(jié)構(gòu)。冷凍盤(pán)組成部分包括渦流管、測(cè)試平臺(tái)、溫度探測(cè)器、系統(tǒng)控制器與閥門(mén)。

圖1 鎳基合金低溫切削結(jié)構(gòu)圖

采用DMG MILLTAP700加工系統(tǒng)進(jìn)行冷凍銑削測(cè)試，以外徑尺寸4 mm的4刃硬質(zhì)合金涂層銑刀進(jìn)行加工處理，涂層類型為超過(guò)50 HRC的高硬度TiSiN與TiAlN涂層，同時(shí)選擇鋁、不銹鋼等具備高黏附特性材料制備的CrSiN與AlCrN涂層，上述各類涂層刀具具有相同的結(jié)構(gòu)。表1給出了刀具涂層的各項(xiàng)具體參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程選擇切削參數(shù)，測(cè)試時(shí)將徑向與軸向切深依次設(shè)定在0.1 mm與0.5 mm，按照單因素方法測(cè)定了鎳基合金低溫切削特性與加工性能影響因素。

表1 刀具涂層特征

以Kistler9170旋轉(zhuǎn)載荷測(cè)試儀與配套軟件采集得到各個(gè)方向上的切削力變化數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將刀具切削長(zhǎng)度設(shè)定在36 m，按照6 m間隔進(jìn)行切削力采集，再收集得到切屑。完成試驗(yàn)之后，再計(jì)算出每次采集得到的Fx、Fy、Fz切削力均值，對(duì)各個(gè)切削工藝下形成的切削合力Fr進(jìn)行了比較。通過(guò)HitachiSU8220掃描電鏡觀察了切削微觀形貌以及刀具表面結(jié)構(gòu)，再利用X射線能譜儀表征了元素含量的分布。以O(shè)LS4000激光共聚焦顯微鏡對(duì)加工得到的表面進(jìn)行觀察，對(duì)切削長(zhǎng)度為6 m的范圍內(nèi)按照等間距方式設(shè)置10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)表征粗糙度數(shù)據(jù)。

2 切削工藝對(duì)切削力的影響

如圖2所示，是在冷凍銑削期間設(shè)置不同切削速度vc下時(shí)得到的切削合力Fr變化曲線。采用干切削模式時(shí)，由于存在高溫作用引起軟化的情況，導(dǎo)致材料黏性快速減小。當(dāng)以更快速度進(jìn)行切削時(shí)，切削合力也呈現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢(shì)。但進(jìn)行低溫切削時(shí)，當(dāng)切削速度提高后，切削合力呈現(xiàn)先上升再下降的規(guī)律；當(dāng)vc達(dá)到125 m/min時(shí)獲得了最大切削合力Fr，接近122 N；當(dāng)設(shè)定vc為175 m/min時(shí)，獲得最小切削合力Fr，只有20 N。

圖2 切削速度對(duì)切削力的影響

以不同變形速率進(jìn)行處理時(shí)并不會(huì)引起Vit1鎳基合金組織結(jié)構(gòu)的明顯變化，保持基本恒定的加工硬化狀態(tài)，結(jié)果見(jiàn)圖2。這使得加工階段刀具的磨損與材料發(fā)生熱軟化的程度成為鎳基合金切削力變化的關(guān)鍵因素。圖2顯示，在vc未超過(guò)125 m/min的情況下，以更快速率進(jìn)行切削時(shí)切削合力也持續(xù)上升，因此通過(guò)低溫切削方法實(shí)現(xiàn)高效散熱可以使合金在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下就發(fā)生變形，當(dāng)?shù)陀诖藴囟葧r(shí)，熱軟化效果并不會(huì)造成材料峰值應(yīng)力的明顯差異，提高切削速度時(shí)引起刀具發(fā)生更大程度磨損是導(dǎo)致切削合力與切削速度之間呈正相關(guān)變化的重要因素；將切削速度vc從125 m/min提高到150 m/min時(shí)，變形溫度也隨之上升，已經(jīng)高于過(guò)冷液相區(qū)的溫度，這時(shí)切削力主要受到熱軟化效應(yīng)的影響，當(dāng)峰值應(yīng)力隨溫度上升而發(fā)生快速下降時(shí)成為切削合力迅速減小的重要作用機(jī)制；設(shè)定vc為175 m/min時(shí)，形成了高溫環(huán)境，引起切屑出現(xiàn)燃燒發(fā)光的現(xiàn)象，此時(shí)合金也持續(xù)發(fā)生熔融，導(dǎo)致切削合力不斷降低。

與切削速度引起切削合力明顯變化的情況相比，進(jìn)給量只引起切削合力發(fā)生小幅波動(dòng)，具體變化曲線見(jiàn)圖3。保持切削速度為恒定的100 m/min時(shí)，當(dāng)fz為0.032 mm/z時(shí)達(dá)到最大切削合力105 N，當(dāng)fz為0.025 mm/z時(shí)達(dá)到最低的85 N；對(duì)于fz為0.018與0.039 mm/z二個(gè)燃燒發(fā)光切削工藝條件，得到的切削合力都是92 N附近。隨著進(jìn)給量的提高，可以去除更多的金屬材料，同時(shí)產(chǎn)生更大切削力。當(dāng)fz為0.018 mm/z時(shí)，在較低的進(jìn)給量下將會(huì)引起刀具和工件之間形成更大的摩擦作用，由此引起切削合力的上升；當(dāng)fz為0.039 mm/z時(shí)，進(jìn)入后期切削階段時(shí)造成燃燒發(fā)光現(xiàn)象，成為切削合力減小的關(guān)鍵因素。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果可知，進(jìn)行低溫切削處理時(shí)，通過(guò)提高潤(rùn)滑效果與抗黏結(jié)性能，可以更加明顯地減小鎳基合金的切削力。

圖3 進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

3 鎳基合金無(wú)晶化低溫切削加工工藝

3.1 已加工表面晶化程度

當(dāng)處于無(wú)燃燒發(fā)光的狀態(tài)下時(shí)，當(dāng)增大切削長(zhǎng)度后，引起切屑形貌的明顯改變，測(cè)試得到圖4的結(jié)果。其中，Lc在12 m以內(nèi)時(shí)，加工階段形成了片狀形態(tài)的切屑，并在表層形成了鋸齒狀外形。Lc達(dá)到24 m以上時(shí)，形成了更大的切屑，此時(shí)在自由表面層已經(jīng)觀察不到疊狀形貌，發(fā)生了明顯扭曲，引起黏性流動(dòng)的結(jié)果。在切屑變形過(guò)程中形成了比玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)更高的溫度，出現(xiàn)材料黏度快速減小，切屑轉(zhuǎn)變成了黏性組織，獲得了優(yōu)異塑性變形的性能。

圖4 不同切削長(zhǎng)度下切屑形貌（vc=100 m/min, fz=0.025 mm/z）

雖然切屑受到高溫作用后原先的非晶態(tài)組織消失，但在加工階段經(jīng)過(guò)加工處理的試樣表面則沒(méi)有出現(xiàn)晶化的情況。還有學(xué)者對(duì)切削能量的分布特征進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，對(duì)鎳基合金進(jìn)行切削時(shí)，加工表面需要的能量只占總能量比例8.5%，此時(shí)切削能主要被消耗在切屑鋸齒的變形與刀-屑之間接觸摩擦過(guò)程。進(jìn)行低溫切削時(shí)，已加工表面和低溫冰層發(fā)生接觸，熱量可以經(jīng)冰層快速散失，工件內(nèi)部原子無(wú)法獲得足夠重排能量，引起不會(huì)造成晶化的現(xiàn)象。

3.2 表面粗糙度

鎳基合金在加工期間受到溫度的明顯影響。根據(jù)圖5可知，當(dāng)提高切削速度后，非晶工件表面形成了更高的溫度，引起表面材料的明顯軟化并獲得更低的黏度，以更高速率切削時(shí)，表面粗糙度Ra隨之上升?？紤]到冰層具有優(yōu)異散熱性能，對(duì)表面組織受熱軟化起到明顯抑制作用，當(dāng)vc≤150 m/min時(shí)，以冷凍銑削方法進(jìn)行處理時(shí)可以使表面粗糙度Ra低于0.45μm。設(shè)定vc為175 m/min時(shí)，冷凍銑削的過(guò)程產(chǎn)生燃燒發(fā)光現(xiàn)象造成表面燒蝕以及組織黏性流動(dòng)狀態(tài)，從而使表面粗糙度增大到Ra=（0.8±0.35）μm。

圖5 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響（fz=0.025 mm/z）

圖6給出了不同進(jìn)給量下對(duì)應(yīng)的表面粗糙度Ra測(cè)試結(jié)果。其中，fz=0.031 3 mm/z時(shí)獲得最小表面粗糙度0.22μm當(dāng)以最低進(jìn)給量0.018 7 mm/z進(jìn)行處理時(shí)，獲得了0.31μm的最大粗糙度。這是由于設(shè)定較小進(jìn)給量時(shí)會(huì)引起刀具和工件之間發(fā)生更大程度的摩擦作用，促使切屑產(chǎn)生燃燒發(fā)光現(xiàn)象，引起表面質(zhì)量的下降。將進(jìn)給量提高到0.037 5 mm/z時(shí)，進(jìn)入后期階段時(shí)也存在燃燒發(fā)光的現(xiàn)象，形成了更粗糙的加工表面。

圖6 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響(vc=100 m/min)

4 涂層刀具低溫切削磨損失效

以同樣工藝參數(shù)進(jìn)行切削處理，對(duì)比了各類涂層刀具加工得到的微觀形貌，同時(shí)對(duì)刀具失效作用機(jī)制進(jìn)行分析。

圖7給出了以TiSiN涂層刀具進(jìn)行磨損處理形成的微觀形貌。此時(shí)在后刀面形成了眾多的黏結(jié)物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)靠近刃口區(qū)域的黏結(jié)物形貌跟自由表面區(qū)域的形貌相近，都表現(xiàn)為層疊形態(tài)；靠近刃口處的涂層出現(xiàn)了一定程度的剝落，同時(shí)存在與基體分離的涂層。造成涂層剝落的原因是切屑材料受到的拉力大于涂層-基體附著作用力，從而引起涂層的撕扯破壞。

圖7 TiSiN涂層刀具磨損微觀形貌

相對(duì)于TiSiN涂層刀具，普通刀具刀面區(qū)域形成了更大范圍黏結(jié)組織，底刃也存在崩缺的現(xiàn)象。由于TiSiN層具備更優(yōu)潤(rùn)滑性能，在后刀面部位形成了更小黏結(jié)磨損區(qū)，除存在黏結(jié)磨損的情況以外，并沒(méi)有出現(xiàn)其他類型的磨損特征。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）切削速度提高后，切削合力呈現(xiàn)先上升再下降。隨著進(jìn)給量提高，可以去除更多金屬材料，產(chǎn)生更大切削力。低溫切削時(shí)，通過(guò)提高潤(rùn)滑效果與抗黏結(jié)性能，可以更加明顯減小鎳基合金的切削力。

（2）切削長(zhǎng)度在2 m內(nèi)，加工階段形成了片狀形態(tài)切屑，在表層形成了鋸齒狀外形；切削長(zhǎng)度24 m以上，形成了更大切屑，引起黏性流動(dòng)結(jié)果。

（3）提高切削速度后，非晶工件表面形成了更高溫度，引起表面材料的明顯軟化并獲得更低的黏度，表面粗糙度Ra上升。較小進(jìn)給量會(huì)引起刀具和工件之間發(fā)生更大程度的摩擦作用，引起表面質(zhì)量下降。

（4）TiSiN涂層刀具后刀面形成了眾多的黏結(jié)物，靠近刃口區(qū)域的黏結(jié)物形貌跟自由表面區(qū)域的形貌相近，都表現(xiàn)為層疊形態(tài)。