白玉婷， 郭延艷， 趙 燦

(1．黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，哈爾濱150022;2．黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心，哈爾濱150022)

0 引 言

高速銑削加工技術(shù)作為機(jī)械加工技術(shù)的主流方向，其優(yōu)勢(shì)主要在于可以在降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、提高表面質(zhì)量和加工精度的條件下加工難加工材料。鎳基高溫合金因具有良好的高溫強(qiáng)度、硬度、熱穩(wěn)定和熱疲勞等特性，在航空、航天、核電、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。該類材料屬于難加工材料，在銑削過程中存在著銑削力大、銑削溫度高以及刀具磨損嚴(yán)重等問題，進(jìn)而引起產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注［1］。高速銑削鎳基高溫合金方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)硬質(zhì)合金、圓形刀片的銑削性能［2－3］、圓形刀片的表面完整性［4］、銑削溫度［5］、陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金的銑削加工性［6－7］進(jìn)行了大量的研究。對(duì)于陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金的研究相對(duì)較少。

高速銑削過程中銑削力的改變會(huì)影響銑削加工時(shí)切屑的形成，切屑的形成又會(huì)影響到加工零件的表面質(zhì)量。銑削力是否改變與銑削參數(shù)、刀具、工件材料等因素有關(guān)，改變其中任何一個(gè)條件都會(huì)引起銑削力的變化。因此，研究高速銑削過程中產(chǎn)生的銑削力是眾多學(xué)者關(guān)注的課題之一。

筆者針對(duì)高溫合金GH3039 銑削加工性差的特點(diǎn)，首先通過單因素實(shí)驗(yàn)分析各銑削參數(shù)對(duì)銑削力大小的影響規(guī)律，再試圖從中選擇適宜的銑削參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)，建立高速銑削鎳基高溫合金GH3039 時(shí)銑削力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1 GH3039 高溫合金

GH3039 是單相奧氏體固溶強(qiáng)化型合金，固溶時(shí)效或使用后，其中會(huì)有少量的Ti(CN)、NbC 及M32C6碳化物析出，且在600～700 ℃范圍內(nèi)會(huì)均勻分布于晶內(nèi)和晶界，當(dāng)高于700 ℃后，會(huì)沿著晶界析出并聚集長(zhǎng)大。同時(shí)GH3039 具有組織穩(wěn)定性好、形成有害相少、在800 ℃以下具有中等的熱強(qiáng)性和良好的熱疲勞性能、1 000 ℃以下抗氧化性能良好［2］。適宜于850 ℃以下長(zhǎng)期使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室零部件。

GH3039 是一種多元合金，其主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示。GH3039 高溫合金銑削性能較差，為保證表面加工質(zhì)量，降低加工成本，對(duì)其銑削加工過程進(jìn)行研究。

表1 GH3039 主要化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Main chemical components of GH3039

2 GH3039 銑削實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)機(jī)床為奧地利MC120 －60 型數(shù)控立式加工中心，加工精度和重復(fù)定位精度均高于國(guó)內(nèi)數(shù)控加工中心，具有可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的刀庫(kù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的銑削加工及多工位加工。機(jī)床主要技術(shù)參數(shù):主軸功率22.5 kW，轉(zhuǎn)速50～12 000 r/min。

銑削力測(cè)量?jī)x器采用瑞士奇的KISTLER9527B三向動(dòng)態(tài)壓電式測(cè)力儀、Kistler5070A 電荷放大器。測(cè)力儀具有一定的抗環(huán)境干擾能力，穩(wěn)定性和可靠性較高。并具有高強(qiáng)度、高靈敏度、固有頻率高的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿足動(dòng)、靜態(tài)測(cè)試要求，可測(cè)出任意相互垂直的Fx、Fy、Fz三向銑削力。測(cè)試系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)Fig．1 Test system

陶瓷刀具具有優(yōu)異的耐熱性、耐磨性和很高的硬度HRC93～95，從而可以加工諸如GH4169、GH3039 等難以加工的材料。陶瓷刀具的化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具，可在高速條件下銑削加工并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，提高效率3～10 倍［8］。實(shí)驗(yàn)采用刀具為綠葉WG300 陶瓷刀具，直徑φ8 mm，刀片型號(hào)RPGN － 2.52T1A，刀桿型號(hào)WSRP － 2520R，直徑φ25 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

在研究高溫合金GH3039 銑削性能時(shí)，選取順銑銑削方式，銑削過程如圖2 所示。

銑削方案采取兩種方式，即單因素實(shí)驗(yàn)方案和正交實(shí)驗(yàn)方案。

2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

單因素實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)定，是為了得到在不同銑削參數(shù)下銑削力的變化情況，以及銑削參數(shù)對(duì)切屑宏觀形態(tài)的影響。首先，設(shè)定單因素實(shí)驗(yàn)方案，即在每組實(shí)驗(yàn)中選擇三個(gè)固定量和一個(gè)改變量，然后，對(duì)其進(jìn)行銑削力的測(cè)量，得到該銑削條件下的銑削力數(shù)值。為了提高實(shí)際生產(chǎn)加工中的生產(chǎn)效率，在粗加工階段選擇陶瓷刀具進(jìn)行全齒加工，即不改變銑削寬度ae=17 mm，實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)數(shù)值及測(cè)量結(jié)果如表2～4 所示。表2 是銑削深度ap=1.5 mm、ae=17 mm、每齒進(jìn)給量fz=0.15 mm 的不同銑削速度下的銑削力數(shù)值;表3 是vc=210 m/min、ap=1.5 mm、ae=17 mm 的不同每齒進(jìn)給量下的銑削力數(shù)值;表4是vc=210 m/min、fz=0.15 mm、ae=17 mm 的不同背吃刀量下的銑削力數(shù)值。

圖2 銑削加工過程Fig．2 Milling progress

表2 不同銑削速度下三向銑削力數(shù)值Table 2 Three dimensional milling force numerical in different milling speed

表3 不同每齒進(jìn)給量下三向銑削力的數(shù)值Table 3 Three dimensional milling force numerical in different feed engagement

表4 不同背吃刀量下三向銑削力的數(shù)值Table 4 Three dimensional milling force numerical in different milling depth

2.2．2 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)機(jī)械加工手冊(cè)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備自身?xiàng)l件，選取不同的銑削參數(shù)因素和水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排，全齒銑削得到三因素四水平的正交實(shí)驗(yàn)，見表5，其中各銑削加工參數(shù)銑削深度ap(A)分別為1、1.2、1.5、1. 7 mm;銑削速度vc(B)分別為240、260、290、320 m/min;每齒進(jìn)給量fz(C)分別為0.1、0.12、0.15、0.17 mm;銑削寬度ac(D)均為17 mm。

通過軟件對(duì)每一組方案的銑削力進(jìn)行分析后，得到其平均值，正交實(shí)驗(yàn)得到的16 組銑削加工實(shí)驗(yàn)的銑削力數(shù)值，如表5 所示。

表5 正交銑削實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)量結(jié)果Table 5 Test program and measure result of orthogonal cutting

2.3 銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響

單因素銑削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 單因素銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響Fig．3 Effect of single factor milling parameters on milling force

由圖3a 看出，隨著銑削速度的增大，三向銑削力呈遞減的趨勢(shì)。高速銑削理論認(rèn)為，隨著銑削速度的提高，銑削力先增高，當(dāng)銑削速度達(dá)到一定值后，隨著銑削速度的升高，銑削力逐漸減小。實(shí)驗(yàn)中并無此現(xiàn)象，說明實(shí)驗(yàn)用銑削速度已經(jīng)達(dá)到一個(gè)臨界值。在達(dá)到高速銑削范圍加工時(shí)，材料的銑削機(jī)理發(fā)生改變，被銑削金屬層發(fā)生絕熱剪切，內(nèi)部產(chǎn)生突變滑移，可以實(shí)現(xiàn)在較小的銑削力下對(duì)工件進(jìn)行加工。

由圖3b 看出，隨著每齒進(jìn)給量的增加，z 向力變化不大，呈緩慢遞增，x、y 向力則呈遞增趨勢(shì)。每齒進(jìn)給量的增加使單位時(shí)間內(nèi)材料去除率增加，刀具單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行銑削的面積增大，進(jìn)而使刀具與工件之間的摩擦作用加大，銑削力大幅度增大。

由圖3c 看出，隨著背吃刀量的增大，三向銑削力均呈遞增趨勢(shì)，其中z 向銑削力變化緩慢。背吃刀量增加使銑削加工單位時(shí)間的刀具銑削面積增大，摩擦力增大，銑削力增大。由銑削面積公式Ac=apf 知，進(jìn)給量或背吃刀量的增大都能引起銑削面積的增大，即加工時(shí)刀具前刀面與工件材料的摩擦力增大，使得銑削力增大。

上述結(jié)論與文獻(xiàn)［2］相同，說明不論是在常規(guī)銑削條件下還是高速銑削，銑削力的變化趨勢(shì)是一致的。

2.4 銑削力經(jīng)驗(yàn)公式

高速銑削加工在選擇銑削參數(shù)時(shí)，沒有成熟的公式或數(shù)據(jù)來參考，因此，在實(shí)際中會(huì)通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立適合的銑削力預(yù)測(cè)模型。

對(duì)于四個(gè)銑削因素，根據(jù)金屬銑削原理，建立銑通用形式:

式(1)中C 取決于加工材料和銑削條件的系數(shù)，ap為背吃刀量、vc為銑削速度、vf為進(jìn)給量、ae為銑削寬度，其中vf可表示為

式中:m——刀齒數(shù);

n——主軸轉(zhuǎn)速。

采用多元線性回歸分析的方法，進(jìn)行擬合，建立GH3039 材料銑削力經(jīng)驗(yàn)公式。得出指數(shù)形式銑削力:

根據(jù)表6 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用極差分析方法，可以求出不同銑削參數(shù)對(duì)三向銑削力的影響數(shù)值。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析見表6。由表6 知，對(duì)于Fx，背吃刀量對(duì)其影響最大，其次為每齒進(jìn)給量，影響最小的為銑削速度;對(duì)于Fy，最為顯著的影響因素是每齒進(jìn)給量，其次為背吃刀量，影響最小的是銑削速度;對(duì)于Fz，參數(shù)的對(duì)其影響從大到小依次為背吃刀量、銑削速度和每齒進(jìn)給量。由極差分析后得到的最優(yōu)參數(shù)為ap=1.7 mm，n=4 500 r/min，fz=0.1 mm。

通過極差分析可以得出不同銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響情況，如表6 所示，即可分析出不同因素不同水平值對(duì)銑削力的影響程度的大小及變化規(guī)律。圖4給出了銑削參數(shù)與銑削力的關(guān)系曲線。

表6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析Table 6 Rage analytical statement of orthogonal test N

圖4 銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響Fig．4 Influence of cutting parameters to cutting forces

由圖4a 可以看出隨著背吃刀量的增大，x、y、z向銑削力在ap=1～1.5 mm 范圍內(nèi)是小幅度減小的，之后則呈增大趨勢(shì);由圖4c 知隨每齒進(jìn)給量的增大，F(xiàn)x、Fy銑削力呈增大趨勢(shì)，F(xiàn)z向銑削力則先增大后減小再增大;圖4b 顯示銑削速度與銑削力的關(guān)系曲線，隨著銑削速度的提高，x、z 向銑削力變化趨勢(shì)相近，整體呈減小趨勢(shì)，y 向銑削力先減小，v≥260 m/min 后呈增大趨勢(shì)。對(duì)于不同銑削參數(shù)下Fz的變化趨勢(shì)都比較緩慢，原因是在背吃刀量一定情況下，材料的去除方向主要在x、y 兩個(gè)方向進(jìn)行，所以z 向上的銑削力比較小而且趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

高速銑削技術(shù)可以減少加工時(shí)間，提高刀具壽命，已在德美日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。通過對(duì)陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金GH3039 的單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，分析銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律，建立銑削力的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過極差分析得出最優(yōu)銑削參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為該材料加工過程中的銑削參數(shù)選擇提供可靠依據(jù)。

［1］徐薌明．鎳基高溫合金銑削加工鋸齒形切屑研究［J］．機(jī)械制造，2008，46(6):38 －40．

［2］郭延艷，趙 燦，王旭峰，等．高溫合金GH3039 銑削力實(shí)驗(yàn)研究［J］．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，21(6):463 －465．

［3］ELBESTAWI M A，ElWARDANY T I．Performance of whisker-reinforced ceramic tools in milling nickel-based alloy［J］．Annals of CIRP，1993，42(1):99 －102．

［4］EZUGWU E O，TANG S H．Surface abuse when machining cast iron (G－17)and nickel-base superalloy (Inconel 718)with ceramic tools［J］．Journal of Materials Processing Technology，1995，15(5):63 －69．

［5］ElWARDANY T I，MOHAMMED E，ELBESTAWI M A．Cutting temperature of ceramic tools in high speed machining of difficultto-cut materials［J］．International Journal of Machine Tools and Manufacture，1996，36(5):611 －634．

［6］DENG J X，LIU L L．Failure mechanisms of TiB2particle and SiC whisker reinforced A12O3 ceramic cutting tools when machining nickel-based alloys［J］．International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2005，21(4):1393 －1401．

［7］馬天宇，王 宇．陶瓷刀具銑削高溫合金實(shí)驗(yàn)研究［J］．航空精密制造技術(shù)，2012，48(1):38 －41．

［8］黃云戰(zhàn)．新型陶瓷刀具的應(yīng)用分析及其研究［J］．機(jī)械工程師，2003(4):10 －12．