高速銑削參數(shù)對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)機械工程學(xué)院；2陜西省工業(yè)自動化重點實驗室

1 引言

鎳基激光熔覆合金材料具有高強度、耐腐蝕和疲勞性能優(yōu)等特點，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[2-4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對激光熔覆成形零件銑削加工工藝方法的研究相對較少，嚴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)者針對激光熔覆形成的高溫合金涂層開展了機械加工方面的研究。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，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激光熔覆鈦合金切削加工性能的影響。張立峰等[8]對激光熔覆Ti-6Al-4V高速銑削的切削力進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)銑削參數(shù)中的每齒進給量和銑削深度對切削力影響最顯著。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)銑削時的切屑形貌和加工振動。

激光熔覆增材制造鎳基合金高速銑削參數(shù)對表面質(zhì)量的影響鮮有報道。因此，本文對鎳基激光熔覆合金高速銑削表面粗糙度和殘余應(yīng)力進行分析，探究主軸轉(zhuǎn)速、每齒進給量和銑削深度對表面質(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)量控制提供試驗依據(jù)。

2 實驗原理及方案

2.1 鎳60激光熔覆試樣制備

實驗所用的熔覆基材為Q690，尺寸為100mm×80mm×30mm。熔覆前對試件進行預(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。試驗前對粉末進行烘干處理，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，因此在銑削試驗前對試件進行粗銑基面，使其表面光滑平整。粗銑表面后的銑削實驗試件如圖2所示。

圖1 激光熔覆成形系統(tǒng)

圖2 粗銑后的實驗試件

2.2 銑削加工實驗系統(tǒng)及方案設(shè)計

銑削實驗設(shè)備是德瑪吉DMU50五軸加工中心，該機床主軸最高轉(zhuǎn)速14000r/min，主軸驅(qū)動功率為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表面質(zhì)量及加工性能的影響，采用順銑干切削方式進行實驗。銑削實驗系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 銑削實驗系統(tǒng)

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

2.3 表面檢測方案

本次實驗工件表面粗糙度采用接觸式粗糙度測量儀進行檢測，銑削加工試樣平面時，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，故在整個銑削平面內(nèi)隨機選取5個點測定表面粗糙度值，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中清洗，每組實驗隨機選取3處進行測量并求取平均值。

表2 銑削實驗參數(shù)

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 切削用量對表面粗糙度的影響

表面粗糙度會影響工件的耐磨性，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?？梢钥闯觯S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隨進給量F的變化曲線?？梢钥闯?，表面粗糙度隨進給量的增大而增大，當進給量小于1500mm/min時，表面粗糙度值變化不顯著；當進給量繼續(xù)增大時，表面粗糙度值由0.259μm增大至0.318μm，變化幅度明顯。說明進給量較小時表面粗糙度值較小，表面質(zhì)量較好；當進給量增大到一定程度時對表面粗糙度值影響較大；進給量增大導(dǎo)致銑削力也增大，銑削過程中刀具的振動隨之增大，因而表面粗糙度隨著進給量的增大而增大。

(a)銑削深度

(b)進給量

(c)主軸轉(zhuǎn)速

圖4c是進給量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。可以看出，表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小；在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，當主軸轉(zhuǎn)速為9600r/min時，此時銑削速度達到最大(301m/min)，表面粗糙度值最小(0.1636μm)。這是因為主軸轉(zhuǎn)速較低時，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；當切削速度較高時，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 切削用量對殘余應(yīng)力的影響

圖5a為不同銑削深度對表面殘余應(yīng)力的影響曲線。當銑削深度由0.1mm增加至0.26mm時，殘余應(yīng)力值具有波動性，當銑削深度繼續(xù)增大時，殘余應(yīng)力具有單調(diào)增大的趨勢。這是因為隨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)進給量

(c)主軸轉(zhuǎn)速

圖5b為不同進給量對表面殘余應(yīng)力的影響曲線。進給量對表面殘余應(yīng)力的敏感性較高，當進給量在700～1500mm/min變化時，殘余應(yīng)力值波動較大；當進給量繼續(xù)增大至2300mm/min時，殘余應(yīng)力呈增大趨勢。這是由于隨著進給量增加，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)力的波動變化；當每齒進給量繼續(xù)增加時，已加工表面受到刀具和切屑的擠壓和摩擦作用不斷增強，使得殘余應(yīng)力也隨之變大。

圖5c為不同主軸轉(zhuǎn)速對表面殘余應(yīng)力的影響曲線?？梢钥闯觯鬏S轉(zhuǎn)速對表面殘余應(yīng)力的敏感性較低，在主軸轉(zhuǎn)速由8000r/min增加至8600r/min時，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，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。這是因為在銑削加工過程中銑削變形力相對穩(wěn)定，導(dǎo)致刀具與切屑對加工表面的摩擦力比較穩(wěn)定，進而使得主軸轉(zhuǎn)速對表面殘余應(yīng)力的影響較小。

4 結(jié)語

(1)本文采用單因素實驗法對鎳基熔覆合金進行了平面銑削試驗，研究了銑削用量(銑削深度、進給量及主軸轉(zhuǎn)速)對銑削表面質(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，表面粗糙度隨著切削深度和進給量的增大而增大，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給量。

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