基于響應(yīng)曲面法的GH4169鎳基高溫合金干車削參數(shù)優(yōu)化試驗

劉有文，陳剛，李紅，于家祥，張書豪，李震會，涂祿強(qiáng)，安慶龍

1安徽天航機(jī)電有限公司；2上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院

1 引言

GH4169鎳基高溫合金具有工作溫度高、抗氧化能力強(qiáng)和耐腐蝕性能好等優(yōu)點，能在700℃～1100℃的高溫氧化及燃?xì)飧g環(huán)境中工作，具有優(yōu)異的耐高溫強(qiáng)度、較好的熱穩(wěn)定性和高溫服役性能。因此，GH4169高溫合金被應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)的渦輪盤、渦輪葉片和渦輪軸等熱端部件[1]。

GH4169高溫合金零件的加工一直是切削加工領(lǐng)域的難題，其相對加工性僅為45鋼的5%～15%，是典型的難加工材料[1，2]。主要原因[3-6]為：①高溫強(qiáng)度和硬度高，加工過程中材料的塑性變形抗力較大，導(dǎo)致切削力增大。②存在高硬度化合物，高溫合金含高硬度的碳化物或氮化物(TiC、NbC、VC、WC、NbN和TiN等)以及相間化合物(FeCrMo和FeCr等)。碳化物的硬度為2400～3200HV，氮化物的硬度更高(莫氏硬度達(dá)8～9HM)，相間化合物的顯微硬度也有1000～1300HV。③與刀具材料的化學(xué)親和性大。高溫合金的導(dǎo)熱率小，加工過程中散熱量低，熱量易在切削區(qū)聚集，導(dǎo)致高溫合金切削溫度高，可達(dá)1000℃以上。④切削過程中易產(chǎn)生強(qiáng)韌且連續(xù)的切屑與毛刺。切削加工高溫合金時，提高切削速度后工件材料容易產(chǎn)生塑性流動，外側(cè)材料在刀具前刀面分裂形成鋸齒狀切屑和毛刺。⑤高溫合金的加工硬化傾向明顯。加工高溫合金時，材料塑性變形區(qū)的晶格扭曲十分嚴(yán)重，導(dǎo)致已加工表面易出現(xiàn)冷作硬化。

目前，對GH4169高溫合金的車削加工研究主要集中在采用單因素法研究切削參數(shù)(切削速度、進(jìn)給量和切削深度)對切削力、切削溫度及刀具磨損的影響規(guī)律等方面[6-10]。本文通過正交實驗設(shè)計和響應(yīng)曲面分析，研究了切削力、已加工表面粗糙度與切削參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，通過正交實驗分析，獲得了加工參數(shù)對切削力和已加工表面粗糙度的影響規(guī)律；建立了切削力、已加工表面粗糙度與切削參數(shù)的回歸方程，并揭示了切削力、表面粗糙度與切削參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系；基于正交試驗數(shù)據(jù)，通過多目標(biāo)規(guī)劃，優(yōu)化得到了涂層刀具車削加工GH4169高溫合金的切削參數(shù)。該研究可為GH4169鎳基高溫合金材料在航空發(fā)動機(jī)零件的切削加工提供一定參考。

2 試驗過程

2.1 工件與刀具

工件材料為GH4169鎳基高溫合金圓棒料，尺寸為φ100mm×200mm，其化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1和表2。

表1 GH4169高溫合金的化學(xué)成分[1，5，6] (wt.%)

表2 GH4169高溫合金的物理和機(jī)械性能[1，5，6]

為了觀測材料的金相組織，用線切割將工件分割成尺寸為5mm×5mm×2mm的小塊樣品，并熱鑲嵌成直徑為30mm、高度為15mm的樣品。分別使用目數(shù)為320，600，1200的研磨砂紙進(jìn)行研磨；再分別采用粒徑為9μm，3μm，1μm的金剛石懸浮液和粒徑為0.03μm的氧化硅懸浮液進(jìn)行拋光；最后用腐蝕液為100ml的酒精+100ml的HCl+5g的CuCl2溶液進(jìn)行刻蝕，腐蝕時間大約30s。

圖1為試驗用GH4169鎳基高溫合金的金相分析。GH4169高溫合金的基體主要為奧氏體(γ相)，呈面心立方結(jié)構(gòu)，以Ni元素為主要元素，并有大量的Cr、Ti、Mo等金屬元素。γ相能夠使GH4169高溫合金的沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和耐熱腐蝕能力得到提高。時效過程中，γ基體可析出γ′、γ″和δ三種沉淀相。GH4169高溫合金的γ′相是Ni3Al型面心立方有序結(jié)構(gòu)，γ′相具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，因此γ′成為高溫合金中的強(qiáng)化相。γ′相的微觀結(jié)構(gòu)主要取決于溫度和點陣錯配度，其形狀大多為球形、方形或片狀。由圖還可以看出，碳化物TiC呈塊狀分布在基體中，而碳化物Cr23C6為小顆粒狀排成直線并沿著晶界分布，析出γ′相呈更小顆粒的球形狀并分布在基體中。

圖1 GH4169金相組織

刀具采用SANDVIK的CVD涂層硬質(zhì)合金刀片，刀片型號為DNMG150608-QM，牌號為S05F，涂層材料為TiCrN+Al2O3+TiN。刀桿選用上海哈森工具有限公司型號為MDJNL 2525M15、主偏角為93°的外圓車刀桿。

2.2 試驗設(shè)備及加工參數(shù)

如圖2所示，在ETC3650U數(shù)控車床上進(jìn)行車削試驗，采用外圓干式車削，針對每組參數(shù)采用固定的切削長度。車削過程中，采用Kistler 9272壓力傳感器和Kistler 5070A多通道電荷放大器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對切削力分量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，采集頻率設(shè)置為2000Hz，持續(xù)時間設(shè)置為60s，使用MITUTOYO SJ210表面粗糙度儀測量每個切削參數(shù)的已加工表面粗糙度值Ra，沿進(jìn)給方向并在不同周向位置測量3次取平均值。設(shè)計三因素三水平正交試驗參數(shù)見表3，正交試驗結(jié)果見表4。

圖2 試驗設(shè)備

表3 正交試驗因素水平

表4 正交試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 切削力

表5為切削力的極差分析結(jié)果，圖3為不同試驗組別切削力和切削力極差分析。由表5可知，切削力最小的切削參數(shù)組合是vc=80m/min，f=0.1mm/r，ap=0.3mm，切削參數(shù)對切削力的影響主次因素為ap>f>vc，即切削深度影響最大，進(jìn)給量次之，切削速度最小。

表5 切削合力F極差分析

(a)不同試驗組別的切削力

(b)切削力極差分析

由圖3a可知，試驗序號1，4，6，7，8的切削力較小，試驗序號3的切削力最大，這是因為試驗序號3的切削深度和進(jìn)給量較大。由圖3b可知，在選定切削參數(shù)下，隨著進(jìn)給量和切削深度的增加，切削力逐漸增大；而隨著切削速度的增加，切削力有減小趨勢，表明適當(dāng)提高切削速度有利于降低切削力。

為探究切削參數(shù)(切削速度vc、進(jìn)給量f和切削深度ap)與切削力F的關(guān)系，分析各切削參數(shù)對切削力的影響，建立的預(yù)測模型為

(1)

對式(1)兩端取對數(shù)，采用Minitab軟件進(jìn)行回歸分析可得

(2)

圖4是采用Minitab軟件對切削力和切削參數(shù)(切削速度、進(jìn)給量和切削深度)的響應(yīng)關(guān)系分析。

(a)切削力與切削速度及進(jìn)給量的關(guān)系

(b)切削力與切削深度及進(jìn)給量的關(guān)系

(c)切削力與切削深度及切削速度的關(guān)系

由圖4a可知，切削力與切削速度、進(jìn)給量的響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)“波峰波谷”特征；由圖4b可知，切削力與切削深度、進(jìn)給量的響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)遞增特征，隨著切削深度和進(jìn)給量的增加，切削力有逐漸增大的趨勢；由圖4c可知，切削力與切削速度、切削深度的響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)波峰波谷特征，是切削速度、進(jìn)給量及切削深度綜合作用的結(jié)果。

3.2 已加工表面粗糙度

表6為切削力的極差分析結(jié)果?？芍?，表面粗糙度Ra最低的切削參數(shù)組合是vc=40m/min，f=0.3mm/r，ap=0.6mm。切削參數(shù)對表面粗糙度Ra的影響主次因素為f>vc>ap，即進(jìn)給量影響最大，切削速度次之，切削深度最小。

表6 已加工表面粗糙度Ra極差分析

圖5為不同試驗組別切削力和切削力極差分析。由圖5a可知，試驗號1，4，5，7，8的表面粗糙度Ra較高，這是因為進(jìn)給量較小(0.1～0.2mm/r)、刀尖圓弧半徑較大(0.8mm)時，刀具擠壓去除材料占主導(dǎo)，工件和刀具摩擦增大，切削過程中出現(xiàn)嘯叫，振動明顯，已加工表面有振紋，進(jìn)而導(dǎo)致表面粗糙度較大，已加工表面質(zhì)量惡化。由圖5b可知，在選定切削條件下，表面粗糙度Ra隨著進(jìn)給量的增加而下降，這是因為在選定切削參數(shù)范圍內(nèi)，小進(jìn)給量(參照進(jìn)給量與刀尖圓弧半徑關(guān)系)會加劇切削振動，從而惡化已加工表面質(zhì)量，適當(dāng)增大進(jìn)給量可以使切削過程更加輕快；隨著切削深度增加，表面粗糙度Ra呈先減小后增大的趨勢；隨著切削速度增加，表面粗糙度Ra先增后減，表明適當(dāng)提高切削速度和進(jìn)給量有利于降低表面粗糙度。

(a)不同試驗組別的表面粗糙度

(b)表面粗糙度極差分析

為探究切削參數(shù)(切削速度vc，進(jìn)給量f，切削深度ap)與表面粗糙度Ra的關(guān)系，分析各切削參數(shù)對表面粗糙度的影響，建立的數(shù)學(xué)模型為

(3)

對式(3)兩端取對數(shù)，采用Minitab軟件進(jìn)行回歸分析可得

(4)

圖6是采用Minitab軟件對表面粗糙度和切削參數(shù)(切削速度vc，進(jìn)給量f，切削深度ap)的響應(yīng)關(guān)系分析。由圖6a可知，表面粗糙度與切削速度、進(jìn)給量的響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)中間高兩端低特征，這是由切削速度和進(jìn)給量綜合作用導(dǎo)致；由圖6b可知，表面粗糙度與切削深度、進(jìn)給量的響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)中間低兩端高特征，隨著切削深度和進(jìn)給量的增加，表面粗糙度呈先降低后升高的趨勢；由圖6c可知，表面粗糙度與切削速度、切削深度的響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)波峰波谷特征，這是由切削速度和切削深度綜合作用導(dǎo)致。

(a)表面粗糙度與切削速度及進(jìn)給量的關(guān)系

(b)表面粗糙度與切削深度及進(jìn)給量的關(guān)系

(c)表面粗糙度與切削深度及切削速度的關(guān)系

3.3 參數(shù)優(yōu)化分析

為了提高加工效率并充分發(fā)揮刀具性能，需對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。上文通過擬合得到了切削力和已加工表面粗糙度的數(shù)學(xué)回歸模型，這部分將采用多目標(biāo)規(guī)劃的方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

粗加工時以加工效率為主要目標(biāo)，以材料去除率作為衡量指標(biāo)；精加工時以表面質(zhì)量為主要目標(biāo)，以已加工表面粗糙度作為衡量指標(biāo)，并考慮加工過程中切削力的影響，可建立多目標(biāo)規(guī)劃模型為

(5)

式(5)是非線性模型，對其進(jìn)行線性化處理，模型兩邊取對數(shù)可實現(xiàn)線性化。則切削參數(shù)為

(6)

得到以加工效率(材料去除率)最大、已加工表面粗糙度值最低為目標(biāo)的模型，再通過線性化處理可以得到

(7)

采用LINGO軟件進(jìn)行分層優(yōu)化，求解式(7)并對原有模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換(變量取值大于0)，取

(8)

獲得的新模型為

(9)

通過分層優(yōu)化得到粗加工參數(shù)vc=80m/min，f=0.3mm/r，ap=0.42mm，精加工優(yōu)化參數(shù)為vc=80m/min，f=0.17mm/r，ap=0.34mm。

4 結(jié)語

通過設(shè)計正交實驗研究了車削加工GH4169鎳基高溫合金時切削參數(shù)對切削力和已加工表面粗糙度值的影響。通過分析正交實驗結(jié)果，獲得了切削參數(shù)對切削力和已加工表面粗糙度的影響規(guī)律。此外，建立了切削力、表面粗糙度與切削參數(shù)的回歸方程，揭示了切削力、表面粗糙度與切削參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系；通過建立多目標(biāo)規(guī)劃模型，優(yōu)化得到了加工GH4169鎳基高溫合金的切削參數(shù)，主要結(jié)論如下。

(1)研究了切削參數(shù)對切削力的影響。通過極差分析得到了切削力最小的切削參數(shù)組合是vc=80m/min，f=0.1mm/r，ap=0.3mm。切削參數(shù)對切削力的影響主次因素為ap>f>vc，即切削深度影響最大，進(jìn)給量次之，切削速度最小。在選定切削參數(shù)下，隨著進(jìn)給量和切削深度的增加，切削力逐漸增大；而隨著切削速度的增加，切削力有減小趨勢。試驗表明，適當(dāng)提高切削速度有利于降低切削力。

(2)分析了加工參數(shù)對已加工表面粗糙度的影響。通過分析正交實驗結(jié)果得到了表面粗糙度Ra最低的切削參數(shù)組合是vc=40m/min，f=0.3mm/r，ap=0.6mm。切削參數(shù)對表面粗糙度Ra的影響主次因素為f>vc>ap，即進(jìn)給量影響最大，切削速度次之，切削深度最小。在選定切削條件下，表面粗糙度Ra隨著進(jìn)給量增加而下降，適當(dāng)增大進(jìn)給量可以使切削過程更加輕快；隨著切削深度增加，表面粗糙度Ra呈先減小后增大的趨勢；隨著切削速度的增加，表面粗糙度Ra先增后減。試驗表明，適當(dāng)提高切削速度和進(jìn)給量有利于降低表面粗糙度Ra。

(3)通過多目標(biāo)規(guī)劃，優(yōu)化得到了車削加工GH4169鎳基高溫合金的切削參數(shù)：粗加工參數(shù)為vc=80m/min，f=0.3mm/r，ap=0.42mm；精加工參數(shù)為vc=80m/min，f=0.17mm/r，ap=0.34mm。