軸向超聲振動車削GH4169 合金的試驗(yàn)研究

史春光，張敏良，柴寧生，龔楠，謝浩

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

鎳基合金GH4169 具有比強(qiáng)度高、比剛度高和耐高溫的特點(diǎn)，常被用于航空和航天發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件中，然而在加工過程中常出現(xiàn)崩刀、脆斷、毛刺和加工效率低等現(xiàn)象，屬于典型的難加工材料，傳統(tǒng)的加工方法難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。超聲振動車削，又稱超聲振動輔助車削，從微觀上看超聲振動車削改變了以往普通車削連續(xù)切割的方式，以一種斷續(xù)、間歇性的方式實(shí)現(xiàn)對工件周期性往復(fù)運(yùn)動的加工,可以在切削過程中達(dá)到降低切削力、提高材料去除率和延長刀具壽命的效果。軸向超聲振動車削是超聲振動車削的一種，與常規(guī)車削相比可以有效改善加工表面質(zhì)量和降低切削力等，因此在高效精密加工方面得到了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前研究學(xué)者在對超聲振動切削進(jìn)行分析時，在理論分析方面研究較多，而對試驗(yàn)研究較少，針對航空發(fā)動機(jī)常用材料GH4169 的試驗(yàn)研究極少。為此，課題組選用航空發(fā)動機(jī)常用材料鎳基合金GH4169 為研究對象，探究了在超聲振動車削與普通車削2 種加工方式下對工件的影響，為航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件加工提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

超聲車削試驗(yàn)方案原理圖如圖1 所示，試驗(yàn)所使用車床為廣州數(shù)控生產(chǎn)的型號為GSK-980TC3-d的普通車床。試驗(yàn)系統(tǒng)主要有日本三菱Kistler dynamomter 9272 型三向力傳感器、吉泰TR200 型數(shù)顯表面粗糙度儀、OPTRIS PI T900 測溫儀、超聲波振動發(fā)生器，超聲振動車削局部放大圖如圖2 所示。

圖1 軸向超聲振動車削試驗(yàn)方案Fig.1 Axial ultrasonic vibration turning test scheme

圖2 超聲振動車削加工平臺局部放大圖Fig.2 Local enlarged view of ultrasonic vibration turning machining platform

1.2 工件材料

試驗(yàn)材料為鎳基合金GH4169，實(shí)驗(yàn)工件采用的是直徑為50 mm、長度為130 mm 的棒料，其主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示。

表1 鎳基合金GH4169 的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of nickel-based alloy GH4169

1.3 試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)中選用日本三菱公司生產(chǎn)的型號為HPGX080204HTi10 的硬質(zhì)合金YG8 涂層刀片，該刀具的硬度和耐磨性比常規(guī)刀具高很多，刀片實(shí)物如圖3 所示。車刀有效幾何參數(shù)如表2 所示。

圖3 刀片的實(shí)物圖片F(xiàn)ig.3 Physical picture of the blade

表2 車刀有效幾何參數(shù)Tab.2 Effective geometric parameters of turning tool

1.4 切削速度的選擇

進(jìn)行有無軸向超聲振動車削試驗(yàn)時，所選的切削深度ap=0.02 mm，切削速度v范圍為40～70 mm/min，進(jìn)給量f為0.010～0.025 mm/r，刀尖圓弧半徑r=0.4 mm，振動頻率為30 kHz，超聲振幅為5μm，超聲切削行程為48 mm。超聲振動車削試驗(yàn)參數(shù)如表3 所示[1]。

表3 超聲振動車削試驗(yàn)條件Tab.3 Ultrasonic vibration turning test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削力

2.1.1 動態(tài)切削力

對切削力進(jìn)行收集時利用上海好耐公司開發(fā)的HRsoft_DW_V2.10 采集軟件。2 種加工方式下動態(tài)切削力變化曲線對比如圖4 所示。

圖4 軸向超聲振動切削和普通切削的動態(tài)切削力Fig.4 Dynamic cutting forces of axial ultrasonic vibration cutting and ordinary cutting

相比于普通車削的切削力變化幅度大且無規(guī)律，軸向超聲振動切削時切削力的波動范圍明顯減小且呈周期性，表明軸向超聲切削在加工過程中能使系統(tǒng)穩(wěn)定，提高加工精度，避免過大的切削力和切削熱的產(chǎn)生。

2.1.2 靜態(tài)切削力

對試驗(yàn)中測力儀收集到的多組動態(tài)切削力數(shù)據(jù)求平均值，得到在不同進(jìn)給量下切削力平均值隨切削速度的變化如圖5 所示。可以看出：軸向超聲振動3 方向的切削力始終小于普通車削，速度一定時，進(jìn)給量增大切削力也隨之增大。進(jìn)給量一定時，無論是普通切削還是軸向超聲振動切削，切削力隨切削速度逐漸升高。主切削力Fz隨切削速度波動性升高。因?yàn)榕R界超聲切削速度為56.5 m/min[2]，在較低切削速度下超聲振動效果明顯，工件與刀具之間發(fā)生明顯的接觸與分離，切削力大幅降低；當(dāng)切削速度逐漸增大時，刀具與工件的分離效應(yīng)減弱且工件加工過程中發(fā)生熱軟化效應(yīng)，軸向超聲振動主切削力降低，逐漸趨向于普通切削。

圖5 不同進(jìn)給量下切削速度與切削力的關(guān)系Fig.5 Relationship between cutting speed and cutting force at different feed rates

2.2 切削溫度

利用OPTRIS PI T900 測溫儀對刀尖溫度進(jìn)行采集，為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，對每組切削速度下進(jìn)行3次試驗(yàn)。切削溫度的變化曲線如圖6 所示[3]?？梢钥闯觯谙嗤邢魉俣认?，切削鎳基合金GH4169 時，普通車削下的切削溫度比超聲振動車削的切削溫度要高，切削速度與切削溫度呈波動性增長，這是因?yàn)樵谇邢髦休S向超聲振動切削能促使切屑折斷，不會發(fā)生切屑堆積到前刀面的現(xiàn)象，提高散熱效率；切削速度由40 m/min 升高到70 m/min 時，切削溫度最大升高了45℃[4]；軸向超聲振動中進(jìn)給量f=0.010 mm/r 時，溫度變化不明顯，但加工效率低；f=0.025 mm/r 時，溫度波動較大，趨于普通車削。相比之下，f=0.020 mm/r 時，在保證加工速率的情況下還能降低切削溫度。

圖6 不同進(jìn)給量下切削速度與切削溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between cutting speed and cutting temperature at different feed rates

2.3 工件表面粗糙度

粗糙度是精密加工中的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在v=40～70 m/min，ap=0.02 mm，A=5μm，f=30 kHz和進(jìn)給量f=0.010～0.025 mm/r 條件下對鎳基合金GH4169 進(jìn)行車削試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)的可靠性，在同一棒料上進(jìn)行試驗(yàn)并且每次試驗(yàn)均使用新的刀具，加工后的照片如圖7 所示，可以看出，軸向超聲振動車削和普通車削加工完成后分界線明顯。為探究2 種切削方式的工件表面質(zhì)量，利用TR200型數(shù)顯表面粗糙度儀測量3 組加工后的表面粗糙度Ra，取平均值。切削速度對表面粗糙度值的影響如圖8 所示，可以看出，軸向超聲振動切削的粗糙度值遠(yuǎn)低于普通切削，切削速度一定時進(jìn)給量越大粗糙度值越高。

圖7 車削工件Fig.7 Turning workpiece

圖8 不同進(jìn)給量下切削速度與粗糙度值的關(guān)系Fig.8 Relationship between cutting speed and roughness at different feed rates

2.4 刀具磨損

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，收集試驗(yàn)用刀具并做標(biāo)記，換裝新刀具再次試驗(yàn)。車削加工完成后利用奧斯微L208PS-3M2000 顯微鏡對刀具的損傷情況進(jìn)行觀察[5]。如圖9（b）、圖9（c）為v=40 m/min，進(jìn)給量f=0.02 mm/r，ap=0.02mm、A=5μm 和f=30 kHz時有無超聲振動切削鎳基合金GH4169 時刀具磨損情況?？梢钥闯觯号c普通車削相比，軸向超聲振動車削能夠起到減輕刀具磨損的作用。

圖9 刀具磨損形貌Fig.9 Tool wear morphology

2.5 切屑形貌

2.5.1 宏觀切屑形貌

圖10 為切削試驗(yàn)完成后收集到的切屑宏觀形貌照片[6-7]。普通切削中，可清晰看到切屑邊緣呈濃密狀鋸齒狀毛刺，如圖10（a）所示，鋸齒狀毛刺的形成容易引起刀具和工件系統(tǒng)的振動，影響已加工表面的質(zhì)量。相比之下，軸向超聲振動切屑邊緣相對光滑，如圖10（b）所示，切屑呈松卷狀，切屑薄而長，不會對加工表面造成影響。

圖10 宏觀切屑形貌Fig.10 Macro chip morphology

如圖11 為普通切削造成的積屑和軸向超聲振動切削形成的碎屑。發(fā)現(xiàn)軸向超聲振動切削可以促使切屑發(fā)生折斷，而普通切削過程中產(chǎn)生的切屑不易折斷，容易對已加工表面造成劃傷，影響工件表面質(zhì)量，而軸向超聲振動的斷續(xù)切削有效地避免了劃傷的可能。在軸向超聲振動過程中，刀具與工件周期性的接觸與分離使得切屑在瞬間被切除，所以產(chǎn)生細(xì)小的碎屑薄且短，不會在刀尖處堆積，因此不會對工件的加工精度產(chǎn)生明顯影響。

圖11 不同車削條件下的切屑對比Fig.11 Chip comparison under different turning conditions

2.5.2 微切屑形貌

分析切削速度對鎳基合金GH4169 加工中切屑形成規(guī)律的影響，利用奧斯微L208PS-3M2000 金相顯微鏡分別對f=0.02 mm/r，ap=0.02 mm 條件下普通切削和軸向超聲振動切削條件下所形成的切屑進(jìn)行分析。圖12—圖14 為鎳基合金GH4169 放大50 倍切屑微觀形貌。由圖12（a）、圖13（a）和圖14（a）可以看出，在普通切削條件下，速度由40 m/min 增長到60 m/min 過程中，鋸齒逐漸變得清晰，齒根出現(xiàn)裂紋，齒根高度變大，齒根頻率升高。由圖12（b）、圖13（b）、圖14（b）可以看出，在軸向超聲振動切削下，鋸齒化明顯減小，速度由40 m/min 增長到60 m/min 過程中切屑長度逐漸變短，纏繞程度變大，切屑有斷裂的趨勢。

圖12 切削速度v=40 m/min（放大50 倍）Fig.12 Cutting speed v=40 m/min (50 times magnification)

圖13 切削速度v=50 m/min（放大50 倍）Fig.13 Cutting speed v=50 m/min (50 times magnification)

圖14 切削速度v=60 m/min（放大50 倍）Fig.14 Cutting speed v=60 m/min (50 times magnification)

3 結(jié)論

為探究航空航天發(fā)動機(jī)常用材料鎳基合金GH4169 切削參數(shù)對加工效果的影響，在進(jìn)給量為0.010，0.020，0.025 mm/r 條件下、切削速度為40～70 m/min 進(jìn)行車削試驗(yàn)，得出了如下結(jié)論：

（1）軸向超聲振動能夠達(dá)到降低切削力的效果，是一種有效提高加工效率的方法，切削力與切削速度呈波動性增長。速度一定時進(jìn)給量越大切削力越大。

（2）軸向超聲振動具有促使切屑折斷的作用，與普通切削過程中產(chǎn)生的連續(xù)的帶狀屑不同，超聲振動切削產(chǎn)生的碎屑不會堆積在刀尖和刀桿上，從而避免對工件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。

（3）軸向超聲振動切削的溫度明顯低于普通切削時的切削溫度，進(jìn)給量f=0.010 mm/r 時溫度變化不明顯，進(jìn)給量f=0.025 mm/r 溫度波動范圍較大，有向普通車削靠近的趨勢。

（4）無論軸向超聲振動切削還是普通切削，工件表面粗糙度均隨切削速度增大而增大，但在相同的切削速度下，軸向超聲振動粗糙度值明顯減小，有效提高工件的表面質(zhì)量，還可以起到減緩刀具磨損的作用。進(jìn)給量增大粗糙度降低。