白玉婷， 吳 桐

(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)

選擇性激光熔化成形鎳基高溫合金718銑削力實(shí)驗(yàn)研究

白玉婷1， 吳 桐2

(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)

為充分發(fā)揮選擇性激光融化成形技術(shù)(SLM)的優(yōu)勢(shì)，以SLM成形鎳基高溫合金718(In718)試件為研究對(duì)象，借鑒常規(guī)成形In718精加工銑削參數(shù)，綜合銑削速度、每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度等因素，進(jìn)行單因素和正交銑削實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到各銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律，運(yùn)用線性回歸方法得到銑削力的預(yù)測(cè)模型。該研究可以為進(jìn)一步對(duì)SLM成形In718零件的精加工提供參考。

SLM； In718； 銑削參數(shù)； 銑削力

0 引 言

常規(guī)鍛壓成形In718材料在惡劣侵蝕條件下，具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性，以及耐高溫特性，被越來(lái)越多地使用在航空航天渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、蒸發(fā)器傳熱管材以及很多軍用高端裝備中。當(dāng)前，對(duì)于該種材料零件的成形方式，主要是高速切削，由于這種方式在加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的切削熱與硬化，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者為了有效地提升加工效率，對(duì)切削參數(shù)的優(yōu)化做了大量的研究[1-5]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及航空、核電等行業(yè)的高速發(fā)展，與之密不可分的機(jī)械制造行業(yè)也迎來(lái)了新的突破。SLM技術(shù)作為一種新的制備金屬零件的方式，已經(jīng)被大眾所熟知。然而，SLM加工出來(lái)的零件在一般情況下是可以滿足正常需求的，但對(duì)于一些航空航天用超精密零件，如整體葉輪表面質(zhì)量所包含的豐富信息會(huì)直接影響零件的最終使用性能，因此，在SLM成形零件的原有基礎(chǔ)上做精加工就顯得尤為重要?，F(xiàn)階段對(duì)這種新的制備方式的研究主要是如何使所制備的零件在材料一致下，微觀形態(tài)的致密度更好并能與傳統(tǒng)加工的零件物理屬性相同。目前，對(duì)金屬3D打印零件的再加工，尚無(wú)切削參數(shù)的參考數(shù)據(jù)。筆者借鑒常規(guī)成形In718材料的銑削參數(shù)[5-9]，設(shè)計(jì)單因素銑削實(shí)驗(yàn)，分析各銑削參數(shù)對(duì)銑削力大小的影響規(guī)律，選出合適因素水平值進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，建立銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1 激光熔化成形In718高溫合金

制備零件所用粉末型號(hào)為美國(guó)卡朋特技術(shù)公司(Carpenter technology corporation)生產(chǎn)的In718鎳基高溫合金，其主要化學(xué)成分，如表1所示，粉末形貌如圖1所示。

圖1 IN718 粉末顆粒電鏡照片

實(shí)驗(yàn)零件成形設(shè)備為哈爾濱福沃德多維智能裝備有限公司研發(fā)的FORWARD LM120金屬粉末成形機(jī)。實(shí)驗(yàn)零件尺寸為30 mm×10 mm×30 mm，制備工藝參數(shù)為：激光功率P=210 W，激光掃描速度v=1 000 mm/s，鋪粉厚度h=0.07 mm。SLM成形In718合金，常溫下機(jī)械性能最小值:抗拉強(qiáng)度為897 Nmm2,屈服強(qiáng)度為550 N/mm2，成形零件如圖3所示。

表1 In718粉末化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2 SLM成形零件

2 銑削實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)選用奧地利MC120-60立式加工中心為銑削機(jī)床，該機(jī)床加工質(zhì)量穩(wěn)定、重復(fù)精度高并具有良好的剛性，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000 r/min，功率為22.5 kW。使用瑞士奇石樂(lè)公司生產(chǎn)的KISTLER9527B壓電式三維受力分析儀對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生的互相垂直的三個(gè)力軸向力Fx、徑向力Fy、切向力Fz進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控測(cè)試，信號(hào)通過(guò)KISTLER5017A電荷放大器、MEASURE COMPUTING A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板，最終傳遞至計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)測(cè)試分析軟件是由美國(guó)NI公司研制開(kāi)發(fā)的LABVIEW軟件，測(cè)試系統(tǒng)具體如圖3所示。

對(duì)SLM成形后零件進(jìn)行精加工銑削實(shí)驗(yàn)，初步選用現(xiàn)階段企業(yè)精加工常用瑞典山特維克公司生產(chǎn)的整體硬質(zhì)合金4刃刀具，TiAlN涂層，直徑10 mm，型號(hào)SANDVIK COROMANT R216.24-10050CCK22P 1620。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定

SLM成形零件的切削參數(shù)至今尚無(wú)可參考范例[10-12]。為充分發(fā)揮SLM成形技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，借鑒常規(guī)成形In718精加工銑削參數(shù)，綜合銑削速度、每齒進(jìn)給量fz、銑削深度ap和銑削寬度ae各種因素，最終單因素銑削實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)及對(duì)其分析計(jì)算數(shù)據(jù)，如表2～5所示。

表2 不同銑削速度下三向銑削力數(shù)值

表3 不同每齒進(jìn)給量下三向銑削力的數(shù)值

表4 不同銑削深度下三向銑削力的數(shù)值

表5 不同銑削寬度下三向銑削力的數(shù)值

2.2.2 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定

結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，確定實(shí)驗(yàn)中銑削速度vc、銑削深度ap、每齒進(jìn)給量fz和銑削寬度ae四種銑削參數(shù)的四個(gè)水平值，具體方案如表6所示。

A表示銑削速度：A1=150，A2=180，A3=210，A4=240。

B表示銑削深度：B1=1.0，B2=0.9，B3=0.7，B4=0.5。

C表示每齒進(jìn)給量：C1=0.02，C2=0.03，C3=0.05，C4=0.07。

D表示銑削寬度：D1=0.5，D2=0.7，D3=0.9，D4=1.0。

通過(guò)Matlab軟件7.0版本對(duì)銑削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，為減少實(shí)驗(yàn)前后誤差，采集實(shí)驗(yàn)中間數(shù)據(jù)求得三向平均力16組數(shù)據(jù)并計(jì)算出各組合力Fh，具體數(shù)據(jù)如表6所示。

2.3 銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響

單因素各銑削參數(shù)對(duì)銑削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別如圖4所示。由圖4a可分析出隨著銑削速度的增大，F(xiàn)x方向逐漸增加，F(xiàn)y和Fz兩個(gè)方向的銑削力的整體變化不大，據(jù)高速切削理論，切削力隨切削速度的增加而升高，到達(dá)某臨界值時(shí)，切削力隨切削速度的增加而降低，由于實(shí)驗(yàn)的自身原因束縛，實(shí)驗(yàn)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速最高設(shè)定8 599 r/min，未能測(cè)得此成形方式的臨界值，就現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示銑削速度180 m/min更適合此種刀具，在外界因素都滿足的情況，應(yīng)適當(dāng)提高銑削速度進(jìn)行臨界值的進(jìn)一步探索。

表6 正交實(shí)驗(yàn)方案(L16(44))及銑削力數(shù)值

由圖4b可以分析出，隨著每齒進(jìn)給量的增加，F(xiàn)x、Fy、Fz向銑削力則呈先增加趨勢(shì)，當(dāng)每齒進(jìn)給量達(dá)到0.05 mm/z時(shí)開(kāi)始降低，達(dá)到0.07 mm時(shí)又呈升高趨勢(shì)?？傮w來(lái)看合力的變化趨勢(shì)是先增大后減小，這是由于隨著每齒進(jìn)給量的增大，瞬時(shí)去除材料率增加、銑削厚度加大、銑削面積增加，以致刀具與試件間摩擦力增大，銑削加工的力隨之升高；同時(shí)切削變形系數(shù)減小，摩擦系數(shù)也會(huì)降低，又會(huì)使銑削力降低，所以每齒進(jìn)給量變化對(duì)銑削力的變化規(guī)律性不顯著。就現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示選擇每齒進(jìn)給量為0.06 mm/z較好，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若是加工條件滿足，可適當(dāng)增大每齒進(jìn)給量，達(dá)到高效加工的目的。

由圖4c可以分析出，隨著銑削深度的增大，F(xiàn)x向銑削力變化幅度較大，當(dāng)銑削深度在0.5～0.9 mm期間時(shí)銑削力快速提高，當(dāng)銑削深度在0.9～1.2 mm期間時(shí)銑削力趨于平穩(wěn)。Fy向銑削力呈緩慢增加后降低趨勢(shì)，整體變化不大。Fz向銑削力呈增加降低再增加趨勢(shì)。合力整體呈迅速增加再趨于平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。這是因?yàn)殡S著銑削深度的增加，刀具接觸試件面積增加，銑削面積增大，引起銑削力的增大。當(dāng)銑削深度到達(dá)1 mm時(shí)，三向切削力反而緩慢下降，這是因?yàn)橛捎阢娤魃疃鹊脑黾樱娤髁Φ奶岣?，所產(chǎn)生的熱量逐漸增多，使得材料進(jìn)一步變軟，強(qiáng)度及硬度都有不同程度的降低，較銑削開(kāi)始時(shí)更容易些，因此銑削力有所降低。

由圖4d可以分析出，隨著銑削寬度的增大，F(xiàn)x、Fy、Fz三向銑削力的整體趨勢(shì)一致。當(dāng)切削寬度在0.5～0.9 mm之間時(shí)銑削力提高較快，這是因?yàn)殡S著銑削寬度的加大刀具銑削試件面積增大，銑削力增大。當(dāng)銑削寬度到達(dá)0.9 mm時(shí)，F(xiàn)x、Fy、Fz三向銑削力反而下降，這是由于因?yàn)殂娤鲗挾鹊脑黾?，銑削力的增加，隨之產(chǎn)生的銑削熱也增加，使得材料進(jìn)一步軟化，銑削相對(duì)容易，故而銑削力下降。當(dāng)銑削寬度達(dá)到1.2 mm時(shí)，F(xiàn)x、Fy、Fz三向銑削力的再次上升，這是因?yàn)殂娤鳒囟壬仙揭欢ǔ潭群螅行紟ё叩臒崃肯鄬?duì)穩(wěn)定，銑削寬度再增加產(chǎn)生的切削熱不能抵消切屑帶走的熱量，因此銑削力進(jìn)一步增大。

a 銑削速度

b 每齒進(jìn)給量

c 銑削深度

d 銑削寬度

2.4 建立銑削力經(jīng)驗(yàn)公式

在實(shí)際銑削加工中通常會(huì)運(yùn)用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析、建立合適的銑削力預(yù)測(cè)模形，以便在選擇銑削參數(shù)時(shí)有公式可供參考?？紤]整體，銑削力F采用合力計(jì)算，根據(jù)金屬切削原理建立銑削力的通用公式：

(1)

式中：C—— 系數(shù)；

n—— 主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

vf和fz的關(guān)系為

vf=4·fz·n，

(2)

vc和n的關(guān)系為

vc=π·d·n/1 000 ，

(3)

最終銑削力通用公式整理為：

(4)

式中：k—— 系數(shù)。

應(yīng)用多元線性回歸法進(jìn)行擬合，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，分別得出：

k=[2 50 9.4 0.949 9 -0.151 1 0.222 6 1.265]-1，

從而得到高速銑削激光熔化成形鎳基高溫合金718的銑削合力預(yù)測(cè)模型為

(5)

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)SLM成形的In718零件進(jìn)行銑削力的單因素及正交銑削實(shí)驗(yàn)，分析了銑削速度、每齒進(jìn)給量、銑削寬度及銑削深度對(duì)銑削力的影響規(guī)律，建立了銑削力經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步精加工SLM成形In718零件提供了理論依據(jù)與實(shí)踐基礎(chǔ)。

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(編校 李德根)

Experimental study on milling force of nickel-based superalloy Inconel 718 by selective laser melting

BaiYuting1,WuTong2

(1.Center for Engineering Training & Basic Experimentation, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Morden Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Selective laser melting forming (SLM) emerging as a new technology capable of rapid manufacturing of parts boasts many advantages over traditional method, such as raw materials saving, but SLM proves incapable of fulfilling a higher accuracy requirement of ultra precision parts. This paper is focused on a full play of advantages of SLM forming technology. The study involves single factor and orthogonal milling experiments performed by using nickel-based super alloy SLM (In718) specimen as the research object and applying conventional milling parameters of forming In718, combined with milling speed, feed rate, milling depth, and width. The analysis of the test data leads to the rules underlying the effect of the milling parameters on milling force and a prediction model for milling force using linear regression method. The research may serve as a reference for further finishing on In718 SLM forming parts.

SLM; In718; milling parameters; milling force

2016-10-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075128)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201328)

白玉婷(1984-)女，黑龍江省哈爾濱人，工程師，碩士，研究方向：數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化，E-mail: bythg28@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.012

TG506.7

2095-7262(2016)06-0644-05

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