硬質合金銑刀鈍圓半徑對Inconel 718高溫合金切削力與切削溫度的影響

王明海，圖晨華，吳志新，王奔，張靜波

1沈陽航空航天大學機電工程學院；2中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司

1 引言

高溫合金是航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機的關鍵材料，能在600℃以上的高溫環(huán)境下長期工作并具有良好綜合性能的金屬材料，具有較高強度、良好抗燃氣腐蝕以及抗氧化能力，在高溫高壓環(huán)境下仍具有優(yōu)良的結構穩(wěn)定性和可靠性。其中，Inconel 718合金是目前產(chǎn)量與用量較大的一類鎳基高溫合金，屬于沉淀硬化型合金，在650℃以下具有良好的抗疲勞性能以及長期的組織穩(wěn)定性[1]，在航空領域中主要用來制造進氣機匣、動力渦輪軸、壓氣機葉片和甩油盤等關鍵零件[2]。

由于高溫合金具有塑性變形抗力大、殘余應力大、導熱性差與加工硬化等特點，導致刀具刃口處負荷較大，切削力與切削溫度較高且刀具磨損十分嚴重。刃口作為刀具直接與工件接觸的部分，其質量與鈍圓半徑直接影響工件表面質量與加工中產(chǎn)生的切削力和切削溫度。精磨后的刀具刃口處會存在微觀缺陷，對刀具進行適當?shù)剽g化處理可以增大鈍圓半徑，消除細小缺陷，降低切削力與切削溫度，從而延長刀具的使用壽命[3]。

國內外學者對切削刃的鈍圓半徑進行了研究。賈秀杰等[4]通過單因素切削試驗研究刀具鈍化對切削鈦合金的影響發(fā)現(xiàn)，與未鈍化的刀具相比，刃口鈍圓半徑為20μm時工件表面粗糙度降低，但產(chǎn)生的切削力更大，尤其在Fx與Fz方向比較明顯。宋庭科等[5]通過車削鎳基高溫合金發(fā)現(xiàn)，刀具磨損隨鈍圓半徑的增大而減小。余金川等[6]通過試驗和仿真結合的方法，研究帶圓角銑刀端銑鎳基高溫合金發(fā)現(xiàn)，刃口鈍圓半徑對進給抗力與切深抗力有較大影響，鈍圓半徑過大會增加工件的彈塑性變形、加工硬化和殘余應力。陶亮等[7]通過AdvantEdge軟件，使用五種不同鈍圓半徑刀具對GCr15軸承鋼進行切削仿真發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)主要集中在刀具的刃口附近，且高溫面積隨著刃口鈍圓半徑的增大而變大，鈍圓半徑對切削力影響明顯，主切削力和進給力均隨鈍圓半徑的增加而增大。Berend Denkena等[8]研究刀具材料對硬質合金刀具磨損的影響發(fā)現(xiàn)，最佳的切削刃圓角很大程度上取決于刀具材料特性。Bing Liu等[9]使用分子動力學仿真與試驗的方法研究了鈍圓半徑對單晶硅材料的去除機理，發(fā)現(xiàn)了鈍圓半徑在微切削加工時影響材料的去除形式，隨著鈍圓半徑的減小，其去除形式由剪切變?yōu)閿D壓。馬書娟等[10]使用硬質合金銑刀對TC4鈦合金進行端銑試驗發(fā)現(xiàn)，鈍圓半徑對切削力、工件表面粗糙度和刀具的磨損速率均呈非線性關系，且在切削過程中Fx>Fy>Fz。

目前國內外學者針對鈍圓半徑對加工性能的影響做出了一定研究，但關于鈍圓半徑對高溫合金影響的研究還很少。關于鈍圓半徑的大多數(shù)試驗研究存在許多其他影響因素，導致鈍圓半徑對加工性能的影響不夠明確。本文以Inconel 718高溫合金為研究對象，通過銑刀側刃對薄壁板件進行銑削加工的側銑試驗研究鈍圓半徑對切削力與切削溫度的影響，減少了銑刀底刃與圓角對切削產(chǎn)生的影響，對鈍圓半徑的研究更加清晰深入，為合理選擇加工Inconel 718高溫合金時的鈍圓半徑提供依據(jù)。

2 切削試驗設計

2.1 試驗工件及刀具

試驗工件材料為Inconel 718高溫合金薄壁板件，其尺寸大小為290mm×210mm×2mm。試驗所用刀具為碳化鈷硬質合金刀具，其參數(shù)如表1所示。

表1 硬質合金刀具參數(shù)

2.2 試驗設備

刀具刃口的鈍化設備為YH04刀具鈍化機，鈍化方式為立式旋轉鈍化法。銑削設備為VMC850B立式加工中心。切削力的檢測設備為Kistler 9257B三向壓電陶瓷測力儀。切削溫度的檢測設備為FLIR紅外熱像儀。刀具刃口鈍圓半徑的檢測設備為ZOLLER刀具測量儀。

2.3 試驗方案

為了盡量降低刀具其他參數(shù)對切削加工的影響，增加試驗結果的可靠性，使用如圖1所示銑刀側刃銑削薄壁板件，該方法減少了銑刀底刃刃型與底刃圓角對加工產(chǎn)生的影響。銑削方式為順銑，冷卻方式為干切削，根據(jù)實際加工情況，選擇主軸轉速為750r/min，每齒進給量為0.1mm/z，切削深度為1mm。

圖1 銑削試驗加工方式

通過YH04刀具鈍化機對刀具進行不同程度的鈍化，對銑刀側刃上即將參與切削加工的鈍圓半徑進行定位測量(見圖2),測量位置選擇四個刃的同一定位高度，測量后取平均值，其中，未鈍化刀具的鈍圓半徑rβ=3.88μm。

圖2 定位測量鈍圓半徑

3 結果與討論

3.1 切削力

采用不同鈍圓半徑硬質合金刀具對工件進行加工，測得的切削力如圖3所示?？梢钥闯?，在側銑Inconel 718高溫合金時，切向力Fx始終大于徑向力Fy；隨著鈍圓半徑的增加，切向力Fx與徑向力Fy均先減小后增大。其中，鈍圓半徑rβ=5.98μm時，切向力Fx與徑向力Fy達到最小值；鈍圓半徑rβ=3.88μm，即刀具未鈍化時，切向力Fx最大。

鈍圓半徑由3.88μm增至5.98μm過程中，切向力Fx與徑向力Fy整體呈下降趨勢。從圖4可知，未鈍化的刀具刃口存在微觀缺陷，經(jīng)鈍化處理后，鈍圓半徑變大的同時刀具刃口處的刃磨質量得到改善，從而使摩擦系數(shù)變小，切削力減小。在鈍化作用下，刀具刃口處的微觀缺陷減少，但隨著鈍化程度增加，刀具鈍圓半徑逐漸增大，刀具刃口逐漸變鈍。

圖3 鈍圓半徑對Fx與Fy的影響

(a)未鈍化刀具刃口形貌

鈍圓半徑由5.98μm增至10.18μm過程中，切向力Fx與徑向力Fy整體呈上升趨勢。刀具前角和后角屬于宏觀幾何參數(shù)，而刃口處的鈍圓半徑及有效前角和有效后角屬于微觀幾何參數(shù)。由于銑削加工是斷續(xù)切削過程，刀具刃口在工件表面不斷地切入并切出，導致刀具的微觀幾何參數(shù)對切削性能產(chǎn)生顯著影響。由圖5可以看出，在刀具宏觀幾何參數(shù)不發(fā)生改變的條件下，鈍圓半徑由rβ1增至rβ2時，刃口處的有效前角由γ1減至γ2。鈍圓半徑的增加會使刀具的有效前角減小，從而導致剪切角變小，變形系數(shù)增大，進而增大切削力[11]；變形效應與切削刃和工件的接觸面積有關系，鈍圓半徑增加，刃區(qū)與工件的接觸面積變大，切削變形增大，從而增大切削力[12]。從圖3可以看出，為獲得最小的切削力，鈍圓半徑應在5.45～5.98μm范圍內選取。

3.2 切削溫度

使用不同鈍圓半徑的刀具對Inconel 718高溫合金進行側銑，產(chǎn)生的切削溫度如圖6所示?？梢钥闯?，隨著鈍圓半徑的增加，切削溫度T先降低再升高然后趨于平緩。鈍圓半徑rβ=3.88μm時切削溫度T最高，rβ=5.98μm時切削溫度T達到最低。

圖5 鈍圓半徑對有效前角的影響

鈍圓半徑由3.88μm增至5.98μm過程中，切削溫度T整體呈下降趨勢。這是因為鈍圓半徑rβ=3.88μm時，刀具未經(jīng)過鈍化處理，刃口存在微觀缺陷導致其產(chǎn)生的切削力很大，刀具為克服切削力消耗的能量轉化為大量的切削熱，從而產(chǎn)生很高的切削溫度；隨著鈍圓半徑增大到rβ=5.98μm，刃口形貌被改善，切削力逐漸減小，從而導致切削溫度逐漸降低。

圖6 鈍圓半徑對切削溫度T的影響

在鈍圓半徑由5.98μm增至7.35μm的過程中，切削溫度T整體呈上升趨勢。這是由于刀具刃區(qū)微觀形貌被改善后，隨著鈍圓半徑增大，加工中所產(chǎn)生的切削力增大，切削溫度升高；如圖7所示，鈍圓半徑由rβ1增至rβ2時，刃口處的有效后角由α1減至α2。增加鈍圓半徑會減小刃口的有效后角，導致刃區(qū)的后刀面與工件的接觸面積變大，摩擦增加，切削熱增加，從而使溫度升高。而鈍圓半徑增大，刀具變鈍，刀具刃口對工件的擠壓變大，工件的塑性變形做功增加，導致切削熱不斷上升，切削溫度升高[13]。

當鈍圓半徑達到7.35μm后，隨著鈍圓半徑的增大，切削溫度T趨于平緩。這是因為隨著鈍圓半徑逐漸變大，刀具與工件和切屑的接觸面積不斷變大，不僅增加了刀具與工件之間的摩擦，提升了切削熱，同時也增加了刀具的散熱面積，提升了刀具的散熱性能，降低了切削溫度[6，14]，但切削溫度由加工中的切削熱與刀具散熱能力共同決定[7，13]，所以鈍圓半徑在7.35～10.18μm時切削溫度趨于穩(wěn)定。從圖6可以看出，為獲得最低的切削溫度，鈍圓半徑應在5.75～5.98μm范圍內選取。

圖7 鈍圓半徑對有效后角的影響

4 結語

以Inconel 718高溫合金為研究對象，通過銑削試驗對鈍圓半徑進行研究，得出以下結論。

(1)銑削Inconel 718高溫合金時，隨著鈍圓半徑的增大，加工中產(chǎn)生的切向力與徑向力均先減小后增大，在鈍圓半徑為5.98μm時達到最低。這是因為不同的鈍圓半徑導致刀具的有效前角不同，從而使切削變形與切削力變化。

(2)隨著鈍圓半徑的增加，切削溫度先降低后升高，然后趨于平緩，且鈍圓半徑為5.98μm時，切削溫度最低。這是由于鈍圓半徑影響加工中產(chǎn)生的切削熱與刀具的散熱能力，從而影響切削溫度。

(3)在銑削高溫合金時應選擇鈍圓半徑范圍為5.75～5.98μm的銑刀以獲得較小的切削力和切削溫度。