高溫合金高速銑削刀具研究進(jìn)展

李體仁，楊德青，孫建功

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

高溫合金具有較好的抗氧化性能、較高的高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性以及疲勞性能、斷裂韌性等，從而在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。面對高溫合金的日益廣泛應(yīng)用，其突出存在的主要問題是質(zhì)量、效率和刀具成本之間的矛盾，特別是在高溫合金銑削的高質(zhì)量和高效率方面。其主要體現(xiàn)在以下兩個方面：①高溫合金在銑削過程中切削力、溫度場、加工硬化、斷屑機(jī)理和刀具磨損之間存在復(fù)雜的交互作用，對銑削加工的質(zhì)量和效率產(chǎn)生重要影響。由于高溫合金材料存在諸多加工難點(diǎn)，常規(guī)的整體刀具，刀具磨損快，即使采用“刀?！睉?zhàn)術(shù)，由于多次刃磨，頻繁對刀等原因，也無法保證零件的加工質(zhì)量、合格率和加工效率。②高溫合金加工質(zhì)量和效率是銑削刀具和工藝參數(shù)等多重因素作用下的綜合效果，屬于復(fù)雜的非線性過程。各因素對于表面質(zhì)量和效率的影響規(guī)律尚有待進(jìn)一步研究。傳統(tǒng)的銑削工藝參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，與高溫合金高速銑削及其所用刀具的匹配性差，且缺乏綜合考慮銑削質(zhì)量和效率的加工參數(shù)優(yōu)化，已不再適用。

本文中綜述高溫合金銑削加工的研究現(xiàn)狀，從高溫合金刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、切削環(huán)境以及切削表面質(zhì)量控制等方面對現(xiàn)有研究進(jìn)行總結(jié)分析，找出現(xiàn)有研究的缺點(diǎn)并對未來高溫合金高效加工發(fā)展方向作出展望。

1 高溫合金切削性能研究

1.1 高溫合金銑削刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在刀具材料方面，TAZEHKANDI等[1]對比了用于加工高溫合金的刀具材料，包括高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金和立方氮化硼等，指出立方氮化硼材料具有較好的綜合性能。WANG等[2]選擇了YG6X、YG8、涂層硬質(zhì)合金刀具和涂層陶瓷刀具，采用電阻爐加熱刀具材料，并進(jìn)行了抗氧化試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明刀具晶粒越小，抗氧化性越好。涂層硬質(zhì)合金刀具的抗氧化性能優(yōu)于未涂層刀具。

ARAMESH等[3]推薦使用Al-Si（在加工前階段沉積在刀面上）涂層刀具加工Inconel 718。筆者經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在加工過程中，由于切削溫度高，鋁硅層熔化，熔融材料順利穿過刀具表面早期形成的微裂紋，這反過來又延長了刀具壽命，并獲得了更好的表面完整性。刀具在低摩擦的Al-Si層上的滑動導(dǎo)致了更小的切削力、更少的粘滯，從而減少了刀具的磨損，延長了刀具壽命。此外，鋁的延展性有助于降低加工過程中的振動。MING等[4]用Sialon陶瓷刀具對FGH96高溫合金進(jìn)行了一系列高速銑削試驗(yàn)，研究了所用工藝參數(shù)對銑削力和加工溫度的影響，并對陶瓷刀具的切削表面質(zhì)量和磨損特征進(jìn)行了討論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合切削力只有在切速度超過315 m/min時(shí)才會下降。此外，考慮到表面光潔度和銑削表面存在較大的殘余拉應(yīng)力，Sialon刀具可能更適合FGH96的粗加工，并且刀具側(cè)表面的主要磨損形式為粘著磨損，刀具前刀面的主要失效形式是邊緣的破碎及剝落。JADAM等[5]研究了PVD多層涂層陶瓷與PVD-TiAIN涂層PCBN硬質(zhì)合金刀具對Inconel 718切削性能的影響，并與傳統(tǒng)無涂層WC-Co刀具進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，涂層陶瓷在切削力、表面光潔度、微小白色層等方面都優(yōu)于其他兩種刀片，但是PCBN刀具比其他產(chǎn)品刀尖溫度更低。

在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，山東大學(xué)李國超博士[6]通過采用空間幾何和曲面包絡(luò)原理，建立了砂輪磨削立銑刀容屑槽和周刃前后刀面之間的關(guān)系，采用了解析法與圖形法相結(jié)合的方法分析了砂輪磨削容屑槽的規(guī)律，并對砂輪輪廓的反求提出了新的方法，最后進(jìn)行了刀具參數(shù)化三維軟件的開發(fā)。湘潭大學(xué)寧邵鵬[7]通過切削GH4169試驗(yàn)研究了槽形結(jié)構(gòu)對刀具切削溫度和磨損的影響，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的槽形改善了前刀面的摩擦，有效地降低了切削溫度，提高了刀具的使用壽命。山東大學(xué)邢佑強(qiáng)[8]在刀具的前刀面制備不同類別的微結(jié)構(gòu)，改善了刀-屑接觸摩擦狀況，降低了切削力和切削溫度，提高了刀具的使用壽命。鄧建新[9]研究了加工高溫合金GH4169的刀具磨損機(jī)理，發(fā)現(xiàn)磨粒磨損集中出現(xiàn)在后刀面，粘結(jié)和擴(kuò)散磨損主要發(fā)生在前刀面。趙軍[10]切削高溫合金GH4169，通過切削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度小于125 m/min時(shí)，刀具主要磨損是溝槽磨損；當(dāng)速度不斷升高時(shí)，切削溫度的升高導(dǎo)致擴(kuò)散磨損發(fā)生，造成后刀面磨損嚴(yán)重和刀尖處崩刃。BHATT等[11]研究了硬質(zhì)合金刀具在高、中、低3種切削速度下切削高溫合金Inconel 718的刀具磨損機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明，刀具前刀面存在月牙洼、后刀面有明顯的溝槽磨損，同時(shí)SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn)前、后刀面均有粘結(jié)和磨粒磨損。COSTES等[12]研究了采用CBN刀具加工鎳基高溫合金GH4169的刀具磨損機(jī)理，SEM和EDS分析結(jié)果表明磨料、粘結(jié)和擴(kuò)散是導(dǎo)致刀具失效的原因。

除了以上方面，也有學(xué)者在切削條件方面做了研究，GüNAY等[13]對高溫合金Nimonic 80A在干燥、風(fēng)冷、油霧等切削環(huán)境下的刀具壽命、磨損特性及切削表面進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，油霧環(huán)境下的刀具壽命比干式風(fēng)冷法長，并發(fā)現(xiàn)在噴油環(huán)境下，當(dāng)切削速度達(dá)到60 m/min時(shí)，可以獲得最佳的刀具壽命與表面完整性。高壓冷卻在高溫合金等高強(qiáng)度鋼的加工中具有很大的優(yōu)勢，可以有效降低切削溫度，提高刀具破屑性能，從而降低刀具磨損。ALAUDDIN等[14]研究了無涂層硬質(zhì)合金刀具銑削Inconel 718高溫合金時(shí)的刀具磨損，實(shí)驗(yàn)在干燥條件下進(jìn)行，以切削時(shí)間、切削速度和進(jìn)給量為恒定參數(shù)，采用全浸泡或半浸泡的方式進(jìn)行上下銑削。結(jié)果表明，與半浸泡端銑削相比，全浸泡端銑削增加了刀具壽命，并且在向下銑削中刀具壽命比在向上銑削中刀具壽命更好。

1.2 高溫合金高速銑削表面完整性控制

近年來學(xué)者們一直在研究高溫合金的切削機(jī)理和工藝參數(shù)優(yōu)化方法。在表面質(zhì)量，尤其是表面粗糙度方面給出了相應(yīng)的預(yù)測模型。徐建建[15]對銑削鎳基高溫合金的刀具進(jìn)行了耐用度的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)切削速度對于銑削GH4169的切削時(shí)間影響最大，而每齒進(jìn)給量的影響最小，對材料切除量影響最大的是切削速度，其次為每齒進(jìn)給量和徑向切深。孫濤[16]利用均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了高速精密銑削試驗(yàn)方案，用最優(yōu)回歸子集法建立了高溫合金表面質(zhì)量的多元二次回歸模型。王俊杰[17]研究了高速高效下銑削鎳基高溫合金工藝參數(shù)優(yōu)化。LIU等[18]、MOOLA等[19]和MANGARAJ等[20]分別用灰色關(guān)聯(lián)理論、方差分析方法和響應(yīng)曲面法構(gòu)建了預(yù)測表面粗糙度的模型。KHAMEL等[21]構(gòu)建了表面粗糙度、切削力多個目標(biāo)優(yōu)化模型。LI等[22]研究了銑削、磨削鎳基高溫合金GH4169對已加工表面粗糙度和疲勞特性的影響。沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)科研人員[23]在對航空難加工零部件用整體刀具和加工工藝進(jìn)行了大量的研究，通過工藝試驗(yàn)對難加工材料進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。CHUANMIN等[24]利用表面輪廓儀和掃描電鏡觀察了SiCp/Al復(fù)合材料磨削過程中的表面特征，采用瑞利分布函數(shù)，基于期望思想，建立了鋁合金和碳化硅的理論表面粗糙度模型。NGERNTONG等[25]通過觀察切削表面形貌因子，提出了面銑加工表面粗糙度的質(zhì)量指標(biāo)，并應(yīng)用模糊邏輯輔助決策，并用DOE方法與模糊邏輯模型進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，模糊模型的建立具有很高的精度和可靠性。MARIMUTHU等[26]開發(fā)了一個數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化lnconel 625的切削參數(shù)，以在干燥條件下使用TiAlN涂層刀具進(jìn)行車削操作，以獲得高質(zhì)量和高生產(chǎn)率。所采用的優(yōu)化技術(shù)是田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以進(jìn)給量、切削速度、軸向切削深度為輸入?yún)?shù)。結(jié)果表明，進(jìn)給量和切削速度是影響表面粗糙度的重要切削參數(shù)，進(jìn)給量和切削深度是影響材料去除率的重要切削參數(shù)。REDDY等[27]開發(fā)了一種遺傳算法（GA）優(yōu)化方法，用于優(yōu)化干磨中的表面粗糙度預(yù)測模型，使用速度、進(jìn)給量、徑向前角和機(jī)頭半徑（都有低、中、高3個級別）作為可變輸入?yún)?shù)。所采用的優(yōu)化技術(shù)為建立數(shù)學(xué)模型的RSM技術(shù)和遺傳算法優(yōu)化技術(shù)。結(jié)果表明，通過選擇合適的刀具和刀具幾何形狀，使干加工成為可能，從而使加工環(huán)境友好。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有學(xué)者利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的方法，對銑削工藝參數(shù)進(jìn)行建模，預(yù)測殘余應(yīng)力、表面粗糙度等。KANT等[28]創(chuàng)立了一種將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與遺傳算法相結(jié)合的預(yù)測和優(yōu)化模型，用于預(yù)測加工參數(shù)的最佳值，從而使表面粗糙度最小。模型所得預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較接近，平均相對誤差為4.11%。ZAIN等[29]利用切削速度、進(jìn)給速度和徑向前角等切削參數(shù)作為刀具幾何參數(shù)，開發(fā)了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表面粗糙度預(yù)測模型。采用Ti-6A1-4V鈦合金切削刀具對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行了實(shí)際加工測試，研究結(jié)果表明基于3-1-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SNre涂層刀具在預(yù)測表面粗糙度值方面表現(xiàn)優(yōu)異，要想獲得最佳表面粗糙度值，推薦的切削條件組合是高速、低進(jìn)給率和徑向前角。JENARTHANAN等[30]使用DOE方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立了響應(yīng)面模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對玻璃鋼的磨削表面粗糙度進(jìn)行了預(yù)測。實(shí)驗(yàn)以切削速度、纖維取向角、切削深度、進(jìn)給量4個自變量進(jìn)行。通過實(shí)驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：進(jìn)給速度是影響表面粗糙度的重要參數(shù)，其次是纖維取向和切削速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性，且預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性，同時(shí)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有更高的魯棒性和精度。RAZFAR等[31]對X20Cr13不銹鋼的端面銑削工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，除了切削深度、每齒進(jìn)給量和切削速度外，它們還包括刀具與自變量。他們開發(fā)了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，基于X20Cr13的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用基于粒子群優(yōu)化（PSO）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立表面粗糙度水平的預(yù)測模型，以可靠、成功和準(zhǔn)確地提供不銹鋼的表面粗糙度。

2 總結(jié)展望

在刀具材料方面，現(xiàn)有研究多關(guān)注刀具材料切削性能和刀具壽命等方面的對比，涉及高溫合金高速銑削刀具材料自潤滑性能的研究較少。在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，目前的研究多集中在整體式銑刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磨損機(jī)理研究，而涉及高溫合金銑削用機(jī)夾銑刀結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法的研究較少。在高速銑削表面完整性控制方面，現(xiàn)有的研究主要集中在切削參數(shù)影響下的單一的表面粗糙度建模，而未考慮刀具參數(shù)、實(shí)際加工條件及不同加工環(huán)節(jié)對于表面質(zhì)量（粗糙度、冷作硬化等）的綜合影響，涉及表面質(zhì)量和加工效率綜合預(yù)測模型的研究更少。

基于上述對該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的分析，未來研究方向應(yīng)圍繞高溫合金高速銑削，開展新型機(jī)夾式方肩銑刀研制工作，并在此基礎(chǔ)上探索質(zhì)量效率的切削參數(shù)影響機(jī)理，構(gòu)建切削效率和質(zhì)量的綜合預(yù)測模型；進(jìn)一步研究高速銑削中的切削力動態(tài)變化規(guī)律，構(gòu)建不同工況和切削參數(shù)綜合的精準(zhǔn)切削力預(yù)測模型；考慮切削力等條件，研究加工參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)。