清潔切削高溫合金涂層刀具切削性能及加工表面完整性

李 祥 鄭光明 顏 培 孫作民 程 祥 劉煥寶

1山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淄博，2550002.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京，100081

0 引言

GH2132是以Fe-25Ni-15Cr為基的時(shí)效強(qiáng)化型鐵基高溫合金，加入 Mo、Ti、Al、V 及微量 B 綜合強(qiáng)化[1-3]。鐵基高溫合金GH2132憑借自身良好的熱加工性能及中溫力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于長期工作在650 ℃以下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)高溫承力部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、壓氣機(jī)盤、轉(zhuǎn)子葉片和緊固件等[4-5]。鐵基高溫合金具有韌性高、塑性大、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，這使得切削過程中存在切削力大、刀具易磨損、表面硬化嚴(yán)重以及表面精度難以保證等問題，因此屬于典型的難加工材料[6]。

低溫切削加工是綠色制造與清潔切削技術(shù)重要的切削方式之一，它可以降低切削溫度，改變切削區(qū)域的熱變形，延緩刀具磨損，從而改善切削加工表面質(zhì)量[7-8]。與傳統(tǒng)加工方法相比，低溫切削更適合于加工鈦合金、高強(qiáng)鋼以及高溫合金等難加工材料，因此，低溫切削加工的研究受到眾多金屬切削加工領(lǐng)域的國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。

相比硬度更高的陶瓷刀具、PCBN刀具，涂層刀具有良好的經(jīng)濟(jì)性和導(dǎo)熱性，更優(yōu)的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊能力，并且有化學(xué)穩(wěn)定性高、不易黏結(jié)、摩擦因數(shù)小以及使用壽命較長等優(yōu)點(diǎn)，這使涂層刀具成為切削難加工材料行業(yè)的重要組成部分[9-10]。涂層刀具在高速下干切削難加工材料高溫合金過程中，產(chǎn)生的高溫和高壓使工件軟化，易導(dǎo)致涂層刀具發(fā)生黏著磨損，并出現(xiàn)崩刃，刀具很快就達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。利用常規(guī)油基切削液良好的潤滑作用可改善上述磨損機(jī)制，但工件生產(chǎn)加工效率低、成本較高，而且冷卻液的大量使用和排放對(duì)人的健康、環(huán)境和資源利用都有負(fù)面影響[13]。目前，液氮(LN2)冷卻切削可以滿足綠色制造的需求，并正在推廣應(yīng)用于難加工材料。

對(duì)于切削加工性能差的難加工材料，采用低溫切削加工可以對(duì)刀具切削性能和加工質(zhì)量穩(wěn)定性的提高產(chǎn)生有利影響[14-15]。MUSFIRAH等[16]分別在低溫切削和干切削條件下使用多層TiAlN涂覆的硬質(zhì)合金刀片對(duì)Inconel 718材料進(jìn)行了低溫銑削的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫切削不僅起到冷卻作用，還在切削中減少刀具和工件之間的摩擦而起到潤滑作用，低溫冷卻可以將切削中傳遞到刀具的熱量減少近70%。KAYNAK[17]研究了Inconel 718的低溫切削效果，發(fā)現(xiàn)利用液氮進(jìn)行低溫冷卻切削可有效減少刀具熱裂紋的產(chǎn)生，減緩刀具磨損速度，切削溫度的降低減小了月牙洼磨損深度。WANG等[18-19]采用液氮低溫加工方法分別對(duì)鎳基高溫合金和鈦合金進(jìn)行了低溫銑削試驗(yàn)。WILLIANS等[20]使用陶瓷刀具對(duì)Inconel 718進(jìn)行了液氮低溫高速切削，研究低溫、干式切削對(duì)工件表面完整性的影響。結(jié)果表明，使用液氮低溫切削比干式切削的表面顯微硬度值更高；在表面粗糙度方面，液氮切削加工和干切削的平均粗糙度相差不大；液氮低溫切削的殘余應(yīng)力值略大于干切削加工的殘余應(yīng)力值。SUN等[21]使用液氮低溫切削Ti6Al7Nb鈦合金，發(fā)現(xiàn)與干切削和常規(guī)冷卻液切削相比，液氮低溫加工表面層的表面硬度分別提高33.6%和14.7%。

超低溫切削是指利用液態(tài)氮、液態(tài)氧及液態(tài)CO2等冷卻介質(zhì)氣化吸熱的原理，使加工區(qū)域溫度有效降低的切削加工技術(shù)[22-23]。其中液態(tài)氮來源廣泛、無污染、化學(xué)活性低、冷卻效果好，是常用的冷卻介質(zhì)。然而，直接運(yùn)用液氮(-196 ℃)作為冷卻介質(zhì)與其他切削方式進(jìn)行對(duì)比研究，-196 ℃是否為最佳低溫加工條件卻尚未可知。本文在不同的液氮噴射溫度條件下切削高溫合金GH2132，探究噴射溫度對(duì)涂層刀具切削性能及加工表面完整性的影響規(guī)律，選擇合理的液氮噴射溫度以滿足加工要求。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工件材料和試驗(yàn)刀具

工件材料為鐵基高溫合金GH2132，其尺寸為105 mm×100 mm×100 mm，主要化學(xué)成分和物理性能如表1和表2所示。刀具選用美國Kennametal公司生產(chǎn)的AlTiN涂層硬質(zhì)合金材質(zhì)刀片，采用物理氣相沉積法(PVD)涂層工藝制成。刀片牌號(hào)為KC522M，型號(hào)為EDCT10T304 PDE RLD，刃傾角為15°，刀尖半徑為0.4 mm，切削刃數(shù)為2。使用的刀桿型號(hào)為20A03R028A 20E D10，刀桿直徑為20 mm。

表1 GH2132的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 GH2132的主要物理性能

1.2 清潔切削試驗(yàn)

銑削試驗(yàn)在北京一機(jī)精機(jī)機(jī)床有限公司生產(chǎn)的精密立式萬能搖臂炮塔銑床上進(jìn)行，試驗(yàn)切削速度vc=69，117 m/min，軸向切削深度ap=0.2 mm，徑向切削深度ae=3 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.09 mm。在液氮低溫噴射銑削試驗(yàn)中，液氮噴射溫度設(shè)置為-30，-90，-150，-190 ℃，并與干切削方式(常溫20 ℃)進(jìn)行對(duì)比。低溫冷卻系統(tǒng)采用直徑4 mm的圓形液氮噴嘴，液氮在切削過程中通過噴嘴直接輸送到切削區(qū)，噴嘴位置距離刀屑接觸區(qū)25 mm。試驗(yàn)中液氮罐壓力閾值控制在0.2 MPa左右，通過自增壓液氮罐使液氮噴射流量控制在0.4～0.8 L/min。采用BD-200A液氮罐超低溫監(jiān)控儀測量噴嘴處液氮溫度。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及檢測方法

在切削試驗(yàn)中，為了避免刀片過多影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所用刀桿僅裝夾一個(gè)刀片。每次銑削長度100 mm，停車取下刀片，采用USB200數(shù)碼工具顯微鏡測量后刀面的磨損情況，以刀具平均磨損量VB=0.3 mm為失效標(biāo)準(zhǔn)。液氮低溫噴射銑削試驗(yàn)過程中，利用FLIR SYSTEMS制造的紅外熱像儀測量切削溫度，使用Flir Tools+軟件對(duì)切削溫度的變化實(shí)時(shí)記錄。采用Kistler 9257B型壓電式測力儀進(jìn)行切削力的測量，使用DEWESoft軟件獲取數(shù)據(jù)。加工完成后，在截面處將樣品切割成9 mm×6 mm×6 mm 的試樣，進(jìn)行加工表面完整性分析。采用數(shù)顯自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微維氏硬度計(jì)測量硬度值，加載質(zhì)量為1 kg，每個(gè)試樣取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測試，將5個(gè)數(shù)據(jù)最大值和最小值去掉后求平均值作為該試樣的硬度。表面殘余應(yīng)力采用型號(hào)為Stresstech X-stress 3000 G2R的X射線衍射應(yīng)力儀進(jìn)行測試，X射線波長為0.2291 nm，靶材為Mn靶，衍射角為152.3°，校準(zhǔn)后進(jìn)行測量，在試樣已加工表面沿進(jìn)給方向和垂直進(jìn)給方向上分別均勻選取3個(gè)測量點(diǎn)，取測量結(jié)果的平均值。利用超景深3D數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行表面粗糙度測量。采用Quanta250掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刀具表面的磨損形貌。借助能譜分析儀(EDS)分析失效刀具表面的元素分布。圖1為液氮低溫噴射切削試驗(yàn)的現(xiàn)場工況圖及系統(tǒng)示意圖。

(a)液氮低溫切削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(b)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖圖1 液氮低溫噴射切削試驗(yàn)現(xiàn)場和試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Experimental design of cryogenic cutting with liquid nitrogen and schematic diagram of test system

2 液氮噴射溫度對(duì)涂層刀具切削性能的影響

2.1 切削力

圖2所示為不同噴射溫度銑削GH2132時(shí)切削力的變化情況，其中切削力取刀具磨損量為VB=0.3 mm時(shí)的切削合力。由圖2可以看到，在不同切削速度下，液氮不同噴射溫度對(duì)切削力的影響趨勢一致，從干切削到噴射溫度-190 ℃，銑削GH2132的切削力隨著溫度的降低先減小后增大。

圖2 噴射溫度對(duì)切削力的影響Fig.2 Influence of injection temperature on cutting force

干銑削過程中由于沒有切削液的潤滑和降溫，導(dǎo)致切削區(qū)域溫度升高，隨著刀具刃口逐漸變鈍，摩擦因數(shù)增大，刀具-切屑界面接觸面積增大，使其接觸部位發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦作用，從而切削力較大。液氮低溫切削時(shí)，切削力在噴射溫度-30 ℃時(shí)最小，-190 ℃時(shí)最大。這是因?yàn)?30 ℃時(shí)噴射溫度不是特別低，與干切削相比鋸齒形切屑分節(jié)內(nèi)變形變小，更容易斷屑，切屑分離處因塑性變形產(chǎn)生的力減小。另外，-30 ℃銑削加工GH2132時(shí)一定程度上減少了熱軟化且具有良好的潤滑效果，減小了刀-屑接觸區(qū)域的摩擦因數(shù)，從而克服刀-屑接觸面上的摩擦力減小，使切削力減小。隨著噴射溫度降低，切削力增大，分析原因是噴射溫度越低導(dǎo)致切削溫度下降越顯著，被加工表面逐漸處于低溫狀態(tài)，因冷變形程度的增加，使得GH2132的表面硬度進(jìn)一步提高，切削力愈大。另一方面，在低溫條件下合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有明顯提高，因此，在機(jī)械加工中需要較大的銑削力來去除材料[18]。在高銑削速度(117 m/min)下，隨著噴射溫度的降低，切削合力增大幅度更大，最大相比-30 ℃時(shí)提高36%。這是由于在低溫條件下，刀具有較大的硬度和脆性，且進(jìn)給速度的增大產(chǎn)生了更大的沖擊力，相比低銑削速度下刀具后刀面磨損更為嚴(yán)重，也就導(dǎo)致高速銑削下切削合力增大幅度更大。

2.2 切削溫度

圖3所示為不同噴射溫度銑削GH2132時(shí)切削溫度的變化情況。通過紅外熱像測量切削區(qū)域溫度值變化，可以觀察到溫度較高區(qū)域主要集中在刀尖位置。在高銑削速度下，由于進(jìn)給速度較高，切削熱短時(shí)間內(nèi)不能及時(shí)擴(kuò)散，導(dǎo)致切削溫度高于低速切削的溫度。干切削時(shí)由于切削過程中工件材料和切屑的塑性變形產(chǎn)生大量切削熱，故切削溫度最高。噴射溫度-30 ℃時(shí)，切削溫度下降幅度在40%～45%左右，原因是刀具切削產(chǎn)生的部分熱量被液氮噴出后氣化成的氮?dú)馕?，并且氣體的滲透性強(qiáng)，降低了切削溫度。噴射溫度-90 ℃時(shí)，刀尖位置處的切削溫度下降顯著，此時(shí)切削過程中較大的噴射壓力使切屑更快速離開切削區(qū)域，熱量無法積聚，另外所散發(fā)的切削熱被噴射的氮?dú)饬鞔蟛糠志?。隨著液氮噴射溫度的繼續(xù)降低，-150 ℃和-190 ℃時(shí)切削區(qū)域處已經(jīng)完全處于低溫狀態(tài)。為了更直觀地了解刀尖區(qū)域溫度的變化，對(duì)干銑削和噴射溫度-90 ℃時(shí)的切削溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)干銑削GH2132的刀具受到反復(fù)交錯(cuò)變化的切削熱作用，相對(duì)穩(wěn)定集中且更高的切削溫度加劇了刀具磨損的速度。噴射溫度-90 ℃時(shí)最高切削溫度出現(xiàn)在刀具剛進(jìn)入切削過程階段，這是因?yàn)閿嗬m(xù)銑削使刀-工件剛接觸時(shí)受到?jīng)_擊而產(chǎn)生相對(duì)較高的溫度。但隨著刀具在低溫冷卻的持續(xù)作用下，切削溫度保持穩(wěn)定，而且材料的低溫脆性使切屑的表面更容易產(chǎn)生裂紋，加快切屑和工件的分離，有效地減緩刀具磨損。

圖3 噴射溫度對(duì)切削溫度的影響Fig.3 Influence of injection temperature on cutting temperature

2.3 刀具壽命

圖4所示是液氮不同噴射溫度時(shí)后刀面磨損量的情況(vc= 69 m/min)，可以看到，采用干銑削時(shí)刀具磨損速率最快，在銑削長度為1320 mm時(shí)，刀具后刀面磨損量率先達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)0.3 mm。液氮噴射溫度-90 ℃時(shí)，在切削長度為1560 mm時(shí)刀具恰好達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。噴射溫度-150 ℃時(shí)，后刀面磨損曲線斜率最小，說明在相同的銑削長度下，噴射溫度-150 ℃時(shí)刀具磨損速率最慢，刀具磨損程度最低，同時(shí)刀具達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)銑削長度最大，刀具壽命最長，刀具壽命比干切削時(shí)延長了33.6%。液氮噴射溫度-190 ℃時(shí)后刀面磨損量又逐漸增大，一方面因?yàn)橐旱獓娚錅囟冗^低，工件加工表面硬化嚴(yán)重，給切削過程中帶來了更大的機(jī)械作用，造成切削刀具產(chǎn)生不規(guī)則的冷熱交替變化，這樣容易使切削刃產(chǎn)生裂紋[24]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起刀具破損，縮短刀具的壽命；另一方面液氮噴射區(qū)域同時(shí)長時(shí)間作用在刀具表面上，極低的溫度導(dǎo)致刀具材料的脆性提高，切削刃的強(qiáng)度降低，顯著降低了刀具的機(jī)械性能，促使刀具磨損加劇，刀具壽命縮短。

圖4 噴射溫度對(duì)后刀面磨損量的影響Fig.4 Influence of injection temperature on flank wear

2.4 刀具磨損機(jī)理

圖5所示為液氮不同噴射溫度銑削GH2132時(shí)失效涂層刀具前刀面磨損的情況(vc=69 m/min)，可以發(fā)現(xiàn)，干銑削時(shí)前刀面切削刃附近出現(xiàn)涂層剝落、黏結(jié)及伴有月牙洼，且產(chǎn)生了積屑瘤現(xiàn)象，原因是在切削過程中切削刃處一直受到機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力沖擊，出現(xiàn)大量的工件材料黏結(jié)和涂層剝落，最終形成了月牙洼，刀具的黏結(jié)磨損嚴(yán)重。噴射溫度-30 ℃時(shí)明顯看出刀具前刀面涂層剝落的面積減小，在切削刃刀尖邊緣有不少黏結(jié)存在，說明切削過程中刀尖處的切削溫度仍然較高，在高溫高壓作用下刀具表面很容易出現(xiàn)黏結(jié)層、黏結(jié)物堆積。噴射溫度-90 ℃和-150 ℃時(shí)前刀面涂層剝落的面積繼續(xù)減小，尤其-150 ℃下幾乎看不到有明顯的涂層剝落，前刀面黏結(jié)明顯減少。原因是噴射溫度較低，液氮作用在前刀面上顯著降低了切削溫度，避免了由于高溫造成的刀具表面黏結(jié)，從而有效地減輕了前刀面的黏結(jié)磨損。刀具表面黏結(jié)層的減少，在一定程度上降低了切削過程中由于沖擊載荷產(chǎn)生的涂層脫落現(xiàn)象。噴射溫度為-190 ℃時(shí)，切削刃附近出現(xiàn)了大面積涂層脫落以及微崩刃。原因是由于液氮噴射溫度過低，長時(shí)間低溫導(dǎo)致刀具材料的脆性提高，并且此時(shí)加工表面冷硬化嚴(yán)重，在銑削起始及中斷過程中給刀具邊緣帶來了巨大的熱沖擊和機(jī)械沖擊，一方面劇烈的溫度變化致使刀具受到反復(fù)收縮和膨脹，另一方面沖擊作用使切削力增大，切削過程中系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致大量涂層脫落及崩刃的出現(xiàn)。

(a)t1=20 ℃ (b)t1=-30 ℃

(c)t1=-90 ℃ (d)t1=-150 ℃

(e)t1=-190 ℃圖5 噴射溫度對(duì)涂層刀具前刀面磨損的影響Fig.5 Influence of injection temperature on rake wear of coated tool

圖6所示為不同噴射溫度對(duì)涂層刀具前刀面切削刃處相似位置測試點(diǎn)O元素原子數(shù)百分比β的影響。從圖6中可以看出，刀具前刀面相同EDS區(qū)域O元素的原子百分比由干切削時(shí)的8.14%降低至噴射溫度-150 ℃切削時(shí)的3.14%。這說明刀具磨損表面被氧化的程度隨著液氮噴射溫度的降低而減小，這主要是因?yàn)檩^低的噴射溫度導(dǎo)致切削溫度降低，抑制了氧化反應(yīng)的產(chǎn)生，液氮低溫噴射切削GH2132可有效減少刀具材料的氧化磨損。

圖6 噴射溫度對(duì)涂層中氧元素原子數(shù)百分比的影響Fig.6 Effect of injection temperature on the atomic percentage of oxygen in the coating

(a)t1=20 ℃ (b)t1=-30 ℃

(c)t1=-90 ℃ (d)t1=-150 ℃

(e)t1=-190 ℃圖7 噴射溫度對(duì)涂層刀具后刀面磨損的影響Fig.7 Influence of injection temperature on flank wear of coated tool

圖7所示為液氮不同噴射溫度銑削GH2132下刀具后刀面磨損值到達(dá)0.3 mm時(shí)磨損形貌的情況(vc= 69 m/min)。由圖7可知，干銑削時(shí)后刀面出現(xiàn)了涂層剝落、切屑黏結(jié)，以及有較小的凹坑形成和微裂紋產(chǎn)生，凹坑的出現(xiàn)是因?yàn)榍行寂c刀具發(fā)生黏結(jié)，刀具材料被切屑帶走而形成黏結(jié)磨損。與干銑削相比，噴射溫度-30 ℃時(shí)切削刃附近存在大量切屑黏結(jié)物，-90 ℃和-150 ℃時(shí)黏結(jié)物明顯減少，表面的微裂紋逐漸減少或消失。涂層斷裂裂紋的產(chǎn)生是由于刀具涂層與基體之間的熱應(yīng)力和切削中的機(jī)械應(yīng)力克服涂層與基體間的附著力[25]，但低溫噴射的作用顯著減小了涂層表面的熱應(yīng)力，不再受較大的附著力影響，從而有效減少了微裂紋的產(chǎn)生。噴射溫度-190 ℃時(shí)黏結(jié)物逐漸消失，液氮作為冷卻劑所帶來的極低溫度減少了后刀面磨損區(qū)的黏結(jié)。隨著液氮噴射溫度的降低，發(fā)現(xiàn)后刀面出現(xiàn)了非均勻的磨損，表現(xiàn)為涂層脫落不均勻，靠近刀尖處脫落極少。在不同噴射溫度下，刀具的后刀面上均有細(xì)小的劃痕出現(xiàn)，主要是因?yàn)榈毒吆蟮睹媾c材料中存在硬質(zhì)顆粒接觸摩擦，產(chǎn)生磨粒磨損。

(a)圖7a中區(qū)域A

(b)圖7a中區(qū)域B

(c)圖7e中區(qū)域A

(d)圖7e中區(qū)域B圖8 不同噴射溫度銑削GH2132刀具后刀面EDS圖Fig.8 EDS diagram of flank face of milling GH2132 tool with different injection temperatures

圖8所示為液氮不同噴射溫度銑削GH2132時(shí)刀具后刀面EDS圖譜，其中，K和L表示電子層數(shù)，即C(K)表示C原子在K層電子中，W(L)表示W(wǎng)原子在L層電子中。從圖8中可以看出，在相似位置區(qū)域A處均出現(xiàn)了少量的Fe、Cr、Ni等GH2132工件元素以及少量O元素，O元素的存在可能是磨損區(qū)域氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物，說明此處刀具磨損區(qū)域發(fā)生了黏結(jié)磨損和氧化磨損。存在較多的刀具主要的基體元素W、C，且干切削比-190 ℃時(shí)W、C元素含量更高，證實(shí)了該區(qū)域干切削時(shí)靠近刀具切削刃磨損嚴(yán)重，涂層已經(jīng)大面積磨損掉露出基體表面。在相似位置區(qū)域B處有大量的來自于材料GH2132中的Fe、Cr、Ni及少量的Mn元素，可以看到從干銑削到液氮噴射溫度的降低，F(xiàn)e、Cr、Ni元素含量逐漸減小，說明液氮低溫噴射切削減小了工件材料和刀具材料之間的化學(xué)親和力，有效地抑制了刀具黏結(jié)磨損。

3 液氮噴射溫度對(duì)加工表面完整性的影響

3.1 加工表面粗糙度

圖9所示為不同噴射溫度對(duì)加工表面粗糙度Sa的影響，可以看到，隨著溫度的降低，加工表面粗糙度值呈先下降后上升隨后又下降再上升的趨勢。干銑削時(shí)表面粗糙度為0.361 μm，此時(shí)粗糙度值最大，加工表面有較明顯的劃痕和凹坑，并且伴有擠壓層等特征。噴射溫度-30 ℃時(shí)表面粗糙度值最小，為0.145 μm，噴射溫度-90 ℃時(shí)表面粗糙度值為0.194 μm，噴射溫度-150 ℃時(shí)表面粗糙度值為0.156 μm，相比于干銑削，加工表面形貌光滑平整，幾何紋理清晰，粗糙度值大幅度下降。出現(xiàn)這種變化主要是因?yàn)閲娚涞獨(dú)獾臐櫥屠鋮s作用使前刀面的積屑瘤消失，隨著噴射溫度降低，切削中產(chǎn)生的熱量被射流快速帶走，并且溫度的下降使工件塑性降低，避免了積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，因此加工表面粗糙度值相對(duì)于干切削時(shí)大幅降低。-190 ℃時(shí)表面粗糙度值再次增大為0.34 μm，原因可能是噴射溫度的降低使加工表面硬度提高，并且長時(shí)間在極低的溫度下噴射導(dǎo)致刀具材料的脆性提高，切削刃附近出現(xiàn)大面積涂層脫落以及微崩刃，使銑削過程中材料中存在的硬質(zhì)點(diǎn)與刀具后刀面摩擦更加劇烈，因此造成銑削表面劃痕狀的產(chǎn)生。液氮低溫噴射切削可有效改善GH2132合金加工表面粗糙度，尤其在噴射溫度-30 ℃至-150 ℃之間效果更佳。

圖9 噴射溫度對(duì)GH2132銑削后表面粗糙度Sa的影響(vc=69 m/min)Fig.9 Effect of injection temperature on surface roughness Saafter milling of GH2132(vc=69 m/min)

3.2 加工表面硬度

圖10所示為不同噴射溫度對(duì)加工表面硬度的影響(vc=69 m/min)。由圖10可知，低溫切削GH2132合金加工表面的硬度隨著溫度的降低呈先降低后上升趨勢。液氮噴射溫度-190 ℃時(shí)加工表面硬度最大，銑削長度50 mm、250 mm、450 mm時(shí)硬度分別為398.2HV、407.8HV、413.2HV，較干銑削分別提高5.8%、6.7%、8.6%。在-30 ℃噴射條件下加工表面硬度略小于干銑削，之后隨著噴射溫度的降低加工表面硬化程度越大。干切削時(shí)釋放的切削熱作用于材料表面，使加工表面層高溫軟化，一定程度上降低了材料的硬化程度，噴射溫度為-30 ℃和-90 ℃時(shí)溫度并不是特別低，相比干切削加工，此時(shí)被加工表面受到的切削力更小，由機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形減小，進(jìn)而有效地抑制了晶粒結(jié)構(gòu)的變形[26]，因此對(duì)顯微硬度的變化影響較小。但隨著液氮噴射溫度的繼續(xù)降低，被加工表面處于低溫狀態(tài)，切削熱的軟化作用將被逐漸抵消，使噴射溫度越低的GH2132表面加工硬化程度越高，因冷變形程度的增加硬度進(jìn)一步提高，同時(shí)材料的塑性與韌性下降。隨銑削長度的增加，GH2132合金的加工表面硬度不斷增高。一方面原因是在液氮噴射溫度并非很低的情況下，隨著銑削過程的進(jìn)行，刀具磨損加重，切削力增大后導(dǎo)致加工表面塑性變形增加，造成加工表面硬度不斷增高；另一方面液氮噴射溫度非常低，銑削長度的增加也使被加工表面長時(shí)間處于低溫狀態(tài)，在低溫環(huán)境中材料產(chǎn)生變形，變形能量的不斷增大，導(dǎo)致材料表面組織和晶粒細(xì)化，造成晶界面積增多，金屬晶體內(nèi)位錯(cuò)滑移更難，使GH2132合金的表面硬度增高。

圖10 噴射溫度對(duì)GH2132銑削后加工表面硬度的影響Fig.10 Influence of injection temperature on surface hardness after milling of GH2132

3.3 加工表面殘余應(yīng)力

圖11所示為不同噴射溫度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響(vc=69 m/min)，可見，隨著溫度的降低，加工表面殘余應(yīng)力呈先上升后下降趨勢。干銑削和噴射溫度-30～-150 ℃時(shí)合金的表面均是殘余拉應(yīng)力，在-190 ℃時(shí)合金的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為較小的殘余壓應(yīng)力。表面殘余拉應(yīng)力的形成主要受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同影響[27]。干銑削工件時(shí)，刀-工件間受到強(qiáng)烈的摩擦作用，表面塑性變形導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表面硬度提高，工件變得更難切削，造成加工表面溫度升高，而工件里層溫度相對(duì)較低，便受到了不均勻的熱作用，從而形成熱應(yīng)力，工件表層金屬微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，加工結(jié)束恢復(fù)室溫后，表層與里層下降到相同的溫度，導(dǎo)致表層組織收縮量大，里層收縮量小，表層的收縮受到里層的牽制，最終工件加工表面呈現(xiàn)出拉應(yīng)力。液氮噴射溫度-30 ℃至-90 ℃時(shí)，除了受到塑性變形中一部分熱效應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，還有低溫加工后的塑性變形，使加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力更大，尤其噴射溫度-30 ℃殘余拉應(yīng)力最大，垂直進(jìn)給方向的值為606 MPa，平行進(jìn)給方向?yàn)?24 MPa。隨著噴射溫度降低，液氮的冷卻作用可以降低熱負(fù)荷效應(yīng)，使熱應(yīng)力塑性變形效應(yīng)不再占主導(dǎo)地位，表層殘余拉應(yīng)力開始減小。在加工表面處于低溫狀態(tài)時(shí)，工件切削層受后刀面的強(qiáng)烈摩擦作用，使表層金屬發(fā)生較大的塑性變形，工件材料沿垂直加工表面方向受到壓縮，形成了部分殘余壓應(yīng)力。溫度越低，拉-壓應(yīng)力抵消的效果愈加明顯，同時(shí)加工表面一直處在低溫環(huán)境下致使合金組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時(shí)在-190 ℃時(shí)加工表面的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓縮狀態(tài)。垂直進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力大于平行進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力，說明工件在垂直進(jìn)給方向的塑性變形大于進(jìn)給方向的塑性變形，這導(dǎo)致垂直進(jìn)給方向的機(jī)械作用所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力要大于平行進(jìn)給方向的殘余壓應(yīng)力。

圖11 噴射溫度對(duì)GH2132銑削后表面殘余應(yīng)力的影響Fig.11 Effect of injection temperature on residual stress on the surface of GH2132 after milling

4 結(jié)論

(1)采用PVD-AlTiN涂層刀具清潔切削GH2132，在兩種銑削速度下，液氮噴射溫度對(duì)切削力的影響趨勢一致，液氮低溫切削GH2132的切削力隨著噴射溫度的降低而增大。高速銑削-190 ℃噴射時(shí)切削合力達(dá)到最大，相比-30 ℃時(shí)提高了36%。切削區(qū)溫度隨噴射溫度的降低而下降顯著，在-150～-190 ℃噴射時(shí)切削區(qū)域已完全處于低溫狀態(tài)。

(2)干銑削GH2132刀具磨損速率最快，后刀面磨損量率先達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。噴射溫度-150 ℃時(shí)，后刀面磨損曲線斜率最小，刀具磨損程度最低，壽命最長。液氮噴射溫度在-90～-190 ℃范圍內(nèi)可以獲得較長的刀具壽命。

(3)在干銑削時(shí)前刀面切削刃附近出現(xiàn)面積較大的涂層剝落、黏結(jié)及月牙洼，且產(chǎn)生了積屑瘤。液氮噴射溫度-30～-150 ℃時(shí)刀具前刀面的涂層剝落面積明顯減小，并有效地減少了刀具前刀面的黏結(jié)磨損和氧化磨損。噴射溫度-190 ℃時(shí)，極低的溫度造成刀具材料的脆性提高，使切削刃附近產(chǎn)生較大面積涂層脫落及微崩刃。同時(shí)噴射溫度的降低，使后刀面的微裂紋和黏結(jié)物逐漸減少或消失，抑制了后刀面黏結(jié)磨損。

(4)與干銑削相比，在液氮不同噴射溫度下加工表面粗糙度得到不同程度的降低，尤其-30～-150 ℃之間加工表面形貌光滑平整、紋理清晰，加工表面粗糙度Sa獲得較小值。隨著噴射溫度的降低，加工表面硬度值增加，-190 ℃時(shí)達(dá)到最高表面硬度。加工表面殘余應(yīng)力隨噴射溫度的降低呈逐漸下降趨勢，干銑削和-30～-150 ℃時(shí)合金的表面均是殘余拉應(yīng)力，在-190 ℃時(shí)加工表面呈現(xiàn)較小的殘余壓應(yīng)力，降低液氮噴射溫度可以提高加工表面殘余壓應(yīng)力和減小殘余拉應(yīng)力。液氮噴射溫度-150～-190 ℃之間可以有效提高加工表面質(zhì)量。