高速銑削參數(shù)對(duì)鎳基激光熔覆合金表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

周俊，舒林森，2

1陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 引言

鎳基激光熔覆合金材料具有高強(qiáng)度、耐腐蝕和疲勞性能優(yōu)等特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于汽車制造、煤礦開采及石油化工等領(lǐng)域[1]。然而，金屬零件經(jīng)過激光熔覆后表面粗糙度和幾何精度較低，必須通過機(jī)械加工才能滿足使用要求。高速銑削加工具有加工效率高、銑削力低、加工幾何精度和表面質(zhì)量高等特點(diǎn)[2-4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光熔覆成形零件銑削加工工藝方法的研究相對(duì)較少，嚴(yán)重影響了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展。

近年來，激光熔覆技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用愈加廣泛，因此，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)激光熔覆形成的高溫合金涂層開展了機(jī)械加工方面的研究。王濤等[5]研究了激光熔覆TC4鈦合金加工軌跡對(duì)表面形貌的影響，結(jié)果表明，銑削加工路徑與激光掃描軌跡方向垂直時(shí)，銑削表面形貌較好。Nespor D.等[6]研究了銑削加工工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆TC4鈦合金表面粗糙度的影響。Huang Peng等[7]研究了不同冷卻方式對(duì)激光熔覆鈦合金切削加工性能的影響。張立峰等[8]對(duì)激光熔覆Ti-6Al-4V高速銑削的切削力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)銑削參數(shù)中的每齒進(jìn)給量和銑削深度對(duì)切削力影響最顯著。白海清等[9]研究分析了小直徑麻花鉆的鉆頭直徑以及鉆削參數(shù)對(duì)304不銹鋼熔覆件鉆削性能的影響規(guī)律。Zhao Y.等[10，11]分析了激光熔覆層端銑削和側(cè)銑削時(shí)的切屑形貌和加工振動(dòng)。

激光熔覆增材制造鎳基合金高速銑削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響鮮有報(bào)道。因此，本文對(duì)鎳基激光熔覆合金高速銑削表面粗糙度和殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，探究主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量和銑削深度對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為激光熔覆合金高速銑削過程中的參數(shù)優(yōu)化和表面質(zhì)量控制提供試驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)原理及方案

2.1 鎳60激光熔覆試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用的熔覆基材為Q690，尺寸為100mm×80mm×30mm。熔覆前對(duì)試件進(jìn)行預(yù)處理，去除表面油污和氧化層等雜質(zhì)，再用丙酮將試件清洗干凈并干燥。熔覆粉末為Ni60合金粉末，化學(xué)成分如表1所示。熔覆方式采用環(huán)形同軸同步送粉。試驗(yàn)前對(duì)粉末進(jìn)行烘干處理，防止粉末相互黏結(jié)，影響最終成形質(zhì)量。

表1 Ni60合金粉末化學(xué)成分 (wt.%)

在激光熔覆成形試件制備中保護(hù)氣體采用99.99%純度的工業(yè)氬氣。熔覆工藝參數(shù)為激光功率2400W，掃描速度24mm/s，送粉速度1.8r/min，離焦量0mm，搭接率50%，弓字型掃描路徑，逐層堆積制備3塊40mm×30mm×3.5mm的鎳基合金激光熔覆涂層，熔覆成形系統(tǒng)如圖1所示。鎳基合金熔覆層成形表面質(zhì)量較好，各熔覆層、相鄰熔覆道之間搭接緊密，熔覆層與基材結(jié)合緊密。由于激光熔覆試件表面粗糙，因此在銑削試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行粗銑基面，使其表面光滑平整。粗銑表面后的銑削實(shí)驗(yàn)試件如圖2所示。

圖1 激光熔覆成形系統(tǒng)

圖2 粗銑后的實(shí)驗(yàn)試件

2.2 銑削加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案設(shè)計(jì)

銑削實(shí)驗(yàn)設(shè)備是德瑪吉DMU50五軸加工中心，該機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速14000r/min，主軸驅(qū)動(dòng)功率為23kW。銑削刀具選用瓦爾特直徑8mm的直柄整體硬質(zhì)合金四齒立銑刀，為減少加工過程中切削熱及冷卻液對(duì)表面質(zhì)量及加工性能的影響，采用順銑干切削方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。銑削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 銑削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用單因素實(shí)驗(yàn)法研究切削深度、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量的影響。為了提高加工表面質(zhì)量，綜合考慮機(jī)床和刀具性能，選取如表2所示的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2.3 表面檢測方案

本次實(shí)驗(yàn)工件表面粗糙度采用接觸式粗糙度測量儀進(jìn)行檢測，銑削加工試樣平面時(shí)，受銑刀切入切出以及邊緣處斷續(xù)切削的影響，平面各處的銑削表面質(zhì)量并不相同，故在整個(gè)銑削平面內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)測定表面粗糙度值，并求出平均值用以繪制粗糙度變化曲線。殘余應(yīng)力采用DST.17高分辨應(yīng)力分析儀進(jìn)行測量分析，將銑削加工后的工件冷卻至室溫并放入超聲波清洗機(jī)中清洗，每組實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取3處進(jìn)行測量并求取平均值。

表2 銑削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 切削用量對(duì)表面粗糙度的影響

表面粗糙度會(huì)影響工件的耐磨性，而切削用量是影響表面粗糙度的主要因素。圖4為切削用量對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，其中，圖4a是主軸轉(zhuǎn)速S=8500r/min，進(jìn)給量F=1800mm/min條件下粗糙度Ra隨銑削深度ap的變化曲線?？梢钥闯?，隨著切削深度的增大，表面粗糙度值也在增大，這是由于切削深度增大，單位時(shí)間內(nèi)材料去除率升高，導(dǎo)致切削力增大，工件表面殘留高度增加，從而使得已加工表面粗糙度值隨之增大。

圖4b是主軸轉(zhuǎn)速S=8500r/min，銑削深度ap=0.05mm條件下粗糙度Ra隨進(jìn)給量F的變化曲線?？梢钥闯?，表面粗糙度隨進(jìn)給量的增大而增大，當(dāng)進(jìn)給量小于1500mm/min時(shí)，表面粗糙度值變化不顯著；當(dāng)進(jìn)給量繼續(xù)增大時(shí)，表面粗糙度值由0.259μm增大至0.318μm，變化幅度明顯。說明進(jìn)給量較小時(shí)表面粗糙度值較小，表面質(zhì)量較好；當(dāng)進(jìn)給量增大到一定程度時(shí)對(duì)表面粗糙度值影響較大；進(jìn)給量增大導(dǎo)致銑削力也增大，銑削過程中刀具的振動(dòng)隨之增大，因而表面粗糙度隨著進(jìn)給量的增大而增大。

(a)銑削深度

(b)進(jìn)給量

(c)主軸轉(zhuǎn)速

圖4c是進(jìn)給量F=1800mm/min，銑削深度ap=0.15mm條件下表面粗糙度Ra隨主軸轉(zhuǎn)速S的變化曲線?？梢钥闯觯砻娲植诙入S著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減??；在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為9600r/min時(shí)，此時(shí)銑削速度達(dá)到最大(301m/min)，表面粗糙度值最小(0.1636μm)。這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速較低時(shí)，容易產(chǎn)生積屑瘤，導(dǎo)致工件已加工表面的粗糙度值較大；當(dāng)切削速度較高時(shí)，則能較好地抑制鱗刺與積屑瘤，從而降低已加工表面的粗糙度值。

3.2 切削用量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖5a為不同銑削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響曲線。當(dāng)銑削深度由0.1mm增加至0.26mm時(shí)，殘余應(yīng)力值具有波動(dòng)性，當(dāng)銑削深度繼續(xù)增大時(shí)，殘余應(yīng)力具有單調(diào)增大的趨勢。這是因?yàn)殡S著銑削深度的增大銑削力變大，導(dǎo)致銑削溫度升高，較多熱量傳遞到工件表面，引起表面殘余壓應(yīng)力的增大。

(a)銑削深度

(b)進(jìn)給量

(c)主軸轉(zhuǎn)速

圖5b為不同進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響曲線。進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的敏感性較高，當(dāng)進(jìn)給量在700～1500mm/min變化時(shí)，殘余應(yīng)力值波動(dòng)較大；當(dāng)進(jìn)給量繼續(xù)增大至2300mm/min時(shí)，殘余應(yīng)力呈增大趨勢。這是由于隨著進(jìn)給量增加，已加工面內(nèi)層材料產(chǎn)生壓縮變形，隨著銑削繼續(xù)，內(nèi)層產(chǎn)生的力受到表層材料的制約，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的波動(dòng)變化；當(dāng)每齒進(jìn)給量繼續(xù)增加時(shí)，已加工表面受到刀具和切屑的擠壓和摩擦作用不斷增強(qiáng)，使得殘余應(yīng)力也隨之變大。

圖5c為不同主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響曲線。可以看出，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面殘余應(yīng)力的敏感性較低，在主軸轉(zhuǎn)速由8000r/min增加至8600r/min時(shí)，其表面殘余應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出直線上升的趨勢；而主軸轉(zhuǎn)速在8600～9600r/min時(shí)，表面殘余應(yīng)力值表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，且始終圍繞著600MPa上下波動(dòng)。這是因?yàn)樵阢娤骷庸み^程中銑削變形力相對(duì)穩(wěn)定，導(dǎo)致刀具與切屑對(duì)加工表面的摩擦力比較穩(wěn)定，進(jìn)而使得主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響較小。

4 結(jié)語

(1)本文采用單因素實(shí)驗(yàn)法對(duì)鎳基熔覆合金進(jìn)行了平面銑削試驗(yàn)，研究了銑削用量(銑削深度、進(jìn)給量及主軸轉(zhuǎn)速)對(duì)銑削表面質(zhì)量的影響，得到了表面粗糙度和殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)鎳基熔覆合金銑削加工表面質(zhì)量的控制具有一定借鑒意義。

(2)高速銑削鎳基熔覆合金時(shí)，表面粗糙度隨著切削深度和進(jìn)給量的增大而增大，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小。因此，要提高加工表面粗糙度需要選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速和兼顧銑削效率的銑削深度和進(jìn)給量。

(3)高速銑削鎳基熔覆合金時(shí)，表面殘余應(yīng)力對(duì)銑削深度和進(jìn)給量較為敏感，而對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的敏感性較低。殘余應(yīng)力隨銑削深度和進(jìn)給量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢；主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面殘余應(yīng)力值影響較小，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)其值始終圍繞著600MPa上下波動(dòng)。