吳明陽(yáng) 于永新 程耀楠 李錄彬 趙 旭

哈爾濱理工大學(xué)高效切削及刀具國(guó)家地方聯(lián)合工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱，150080

0 引言

在眾多高溫合金材料中，鎳基高溫合金能夠在650 ℃ 以上條件下長(zhǎng)期維持組織穩(wěn)定性，具有較高的屈服強(qiáng)度和抗疲勞性能等優(yōu)良的機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用在航空、航天等領(lǐng)域，尤其應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端工作部件[1]。但鎳基高溫合金是一種典型的難加工材料，切削加工性差，普通的涂層硬質(zhì)合金刀具與陶瓷刀具在切削過(guò)程中磨損嚴(yán)重，切屑不易折斷，已加工表面質(zhì)量無(wú)法保證[2-3]。采用先進(jìn)的刀具進(jìn)行加工已成為一種趨勢(shì)。聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride ，PCBN)刀具在加工難加工材料方面具有較大潛能，但仍然存在很多問(wèn)題，如PCBN刀具為平前刀面，切屑折斷機(jī)理為切屑自然卷曲折斷，斷屑效果仍不明顯，且生成的鋸齒形切屑的鋸齒化程度會(huì)造成切削力波動(dòng)、加劇刀具磨損甚至出現(xiàn)破損現(xiàn)象，進(jìn)而影響加工質(zhì)量和效率。

目前，針對(duì)難加工材料切削加工方面的問(wèn)題，人們對(duì)刀具磨損、鋸齒形切屑形成機(jī)理、切屑變形等方面研究較多。KHAN等[4]進(jìn)行了PCBN刀具精車削Inconel 718高溫合金刀具磨損與壽命試驗(yàn)研究，得到刀具主要的磨損形式是后刀面磨損的結(jié)論。BUSHLYA等[5]研究發(fā)現(xiàn)，切削速度是影響涂層或非涂層刀具壽命的最大因素。何耿煌等[6]研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)倒棱改變切削力的方向是延長(zhǎng)刀具壽命的本質(zhì)原因。慶振華等[7]通過(guò)研究硬態(tài)切削鋸齒形切屑的形成過(guò)程，得到裂紋擴(kuò)展是切屑分離的原因。吳明陽(yáng)等[8]通過(guò)研究PCBN刀具切削高溫合金鋸齒形切屑形成機(jī)理，確定了絕熱剪切帶位置與兩個(gè)切屑鋸齒形成關(guān)系,并建立了鋸齒形切屑的形成機(jī)理模型。ARRAZOLA等[9]通過(guò)有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，鋸齒形切屑的形成依賴于切削速度和材料的屬性參數(shù)。楊奇彪等[10]通過(guò)高速切削 Ti6Al4V 實(shí)驗(yàn)，得到切屑的鋸齒化程度可判別普通切削、高速切削和超高速切削的結(jié)論。曹自洋等[11]通過(guò)建立Johnson-Cook本構(gòu)模型，分析了鋸齒形切屑的等效塑性應(yīng)變。李亭亭等[12]通過(guò)PCBN刀具切削鎳基高溫合金實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高溫合金切削過(guò)程中易產(chǎn)生切屑塑性側(cè)流現(xiàn)象。趙旭[13]通過(guò)PCBN刀具切削鎳基高溫合金GH4169試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度與背吃刀量的增大，斷屑效果有所提升；而隨著進(jìn)給量的增大，斷屑越來(lái)越困難。VAGNORIUS[14]通過(guò)高壓冷卻下的陶瓷刀具切削 Inconel 718高溫合金試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，刀具缺口雖略有呈現(xiàn),但對(duì)刀具壽命的影響不再重要。段春爭(zhēng)等[15-16]研究發(fā)現(xiàn)，隨著刀具前角的增大，切屑的鋸齒化程度降低,切削力減小，鋸齒化頻率增大。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)常規(guī)條件下的鋸齒形切屑形成機(jī)理及形貌的研究較多，但對(duì)高壓冷卻條件下， PCBN刀具切削高溫合金鋸齒形切屑的幾何表征研究較少，因此，本文通過(guò)高壓冷卻下PCBN刀具車削GH4169鎳基高溫合金試驗(yàn)，基于前人已建立的鋸齒形切屑幾何表征的理論模型，研究高壓冷卻條件下切屑的宏觀形態(tài)以及切削用量和冷卻液壓力對(duì)鋸齒形切屑幾何表征的影響規(guī)律。

1 鋸齒形切屑的幾何表征

鋸齒形切屑是難加工材料切削加工產(chǎn)生的典型特征，在幾何形態(tài)上，與帶狀連續(xù)切屑的區(qū)別在于鋸齒形切屑具有周期性鋸齒、切屑的厚度不均勻等特點(diǎn)。對(duì)于鋸齒形切屑幾何形態(tài)的研究，主要從鋸齒化程度、鋸齒化頻率和鋸齒化步距三方面對(duì)鋸齒形切屑進(jìn)行幾何表征研究。

1.1 鋸齒化程度

在切屑的鋸齒化程度研究方面，SCHULZ等[17]等采用圖1所示的模型對(duì)切屑鋸齒化程度進(jìn)行研究。該鋸齒化程度表征模型不僅可以定量地研究切屑的幾何形狀,而且適合研究切屑的鋸齒變形均勻程度，故本文選用該模型對(duì)鋸齒化程度GS進(jìn)行研究，其表達(dá)式如下：

(1)

式中，h1為切屑底部到切屑鋸齒頂端的距離；h2為切屑底部到切屑鋸齒最低端的距離。

圖1 切屑鋸齒化程度分析Fig.1 The analysis of segmented degree of chip

EKINOVIC等[18]建立了圖2所示的鋸齒形切屑簡(jiǎn)化模型，在金屬切削過(guò)程中，該模型可作為高速切削的判據(jù)。該模型中，鋸齒化程度可表示為

(2)

式中，A1為切屑鋸齒連續(xù)部分的面積；A2為切屑單個(gè)鋸齒的面積；d為切屑底部到切屑鋸齒最低端的距離；D為切屑底部到切屑鋸齒頂端的距離。

圖2 鋸齒形切屑簡(jiǎn)化模型Fig.2 A simplified model of serrated chip

1.2 鋸齒化頻率

鋸齒化頻率表示單位長(zhǎng)度(或單位切削時(shí)間)范圍內(nèi)鋸齒形切屑上所包含的鋸齒個(gè)數(shù)。鋸齒化頻率的計(jì)算方式有兩種：基于單位切削時(shí)間進(jìn)行計(jì)算和基于單位長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。本文選用基于單位長(zhǎng)度的計(jì)算方式對(duì)鋸齒化頻率f進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式如下：

(3)

式中，L為選定的鋸齒形切屑長(zhǎng)度；n為選定的鋸齒形切屑長(zhǎng)度L內(nèi)的鋸齒個(gè)數(shù)。

1.3 鋸齒化步距

鋸齒化步距表示相鄰兩個(gè)鋸齒之間的距離，其表征符號(hào)為Pc，如圖3所示。

圖3 鋸齒化步距模型Fig.3 The model of serration step pitch

鋸齒化步距的大小代表鋸齒形切屑的變形程度，鋸齒化步距越大，表示相鄰兩個(gè)鋸齒的齒頂或齒根之間距離越大，鋸齒形切屑單位長(zhǎng)度的變形也越明顯；反之，鋸齒化步距越小，相鄰兩個(gè)鋸齒的齒頂或齒根之間距離越小。

2 高壓冷卻下切屑幾何表征試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件

本文在高壓冷卻條件下采用PCBN刀具進(jìn)行車削GH4169鎳基高溫合金試驗(yàn)，GH4169的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。材料規(guī)格為φ60 mm×200 mm；試驗(yàn)機(jī)床采用CKA6150數(shù)控車床；試驗(yàn)刀桿選用山特公司的高壓冷卻刀桿PCLNR-2525M12HP，徑向角度為-6°，軸向角度為6°；試驗(yàn)刀具采用株洲鉆石公司型號(hào)為CNGA120408T01515-2的PCBN刀具，刀片刃口參數(shù)如下：倒棱角度為-15°，倒棱寬度為0.15 mm，刀片前角為0°，刀片后角為0°,刀尖圓弧半徑為0.8 mm。圖 4所示為車削試驗(yàn)裝備。

表1 GH4169的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 GH4169的物理力學(xué)性能(20 ℃)

圖4 車削試驗(yàn)裝備Fig.4 Cutting test equipment

2.2 試驗(yàn)方法

采用單因素試驗(yàn)方法，通過(guò)改變切削用量和冷卻液壓力值對(duì)工件進(jìn)行多次切削，收集不同切削用量與冷卻液壓力下的鋸齒形切屑，進(jìn)行試樣的制備及拋磨，利用KEYENCE VHX-1000E超景深顯微鏡對(duì)鋸齒形切屑的形貌及幾何參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，研究高壓冷卻潤(rùn)滑條件下鋸齒形切屑的幾何表征。本試驗(yàn)參數(shù)主要包括切削速度v、進(jìn)給量fz、背吃刀量ap和冷卻液壓力p，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 單因素試驗(yàn)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鎳基高溫合金的切削加工性能較差，切削變形大，雖然PCBN刀具在加工高溫合金方面具有較大潛能，但PCBN 刀具為平前刀面，斷屑效果仍不明顯。為了使PCBN刀具在高溫合金切削加工中發(fā)揮更大潛能，需分析高壓冷卻條件下的切屑宏觀形態(tài)，如圖5所示。

p=0 p=7 MPa p=9 MPap=11 MPa圖5 高壓冷卻下切屑宏觀形態(tài)(v=160 m/min，fz=0.15 mm/r，ap=0.4 mm)Fig.5 Macro morphology of chips underhigh-pressure cooling(v=160 m/min，fz=0.15 mm/r，ap=0.4 mm)

由圖5可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)切削用量相同時(shí)，冷卻液壓力p由0增大至11 MPa時(shí)，不同冷卻液壓力值下的切屑長(zhǎng)度形成鮮明對(duì)比，常規(guī)切削下(p=0)的切屑長(zhǎng)度達(dá)85 mm，而當(dāng)冷卻液壓力為11 MPa時(shí)，切屑長(zhǎng)度僅為6 mm。由此可知，高壓冷卻條件可以明顯提升斷屑能力，且冷卻液壓力值越大，切屑長(zhǎng)度越短，斷屑效果越明顯，切屑呈碎斷形。其原因是在高壓冷卻條件下，冷卻液壓力被施加在切屑與刀尖接觸處，使得切屑所受彎矩增大，刀-屑接觸長(zhǎng)度減小，從而使得斷屑性能得到改善。研究結(jié)果為研究高壓冷卻條件下切削用量與冷卻液壓力對(duì)鋸齒形切屑幾何表征的影響提供了理論依據(jù)。

根據(jù)鋸齒形切屑顯微測(cè)量圖(圖6)，對(duì)齒頂高h(yuǎn)1、齒根高h(yuǎn)2、步距Pc等參數(shù)分別進(jìn)行5次測(cè)量,取平均值后進(jìn)行幾何表征的計(jì)算。其中，1表示齒頂高，2表示齒根高,3表示選定的鋸齒形切屑長(zhǎng)度，4表示鋸齒化步距。

圖6 鋸齒形切屑顯微測(cè)量圖(v=160 m/min，fz=0.15 mm/r，ap=0.4 mm，p=11 MPa)(×500)Fig.6 Measured micrograph of serrated chip(v=160 m/min，fz=0.15 mm/r，ap=0.4 mm，p=11 MPa)(×500)

2.3.1切削用量對(duì)切屑幾何表征的影響

圖 7所示為不同切削用量對(duì)鋸齒化程度的影響規(guī)律，可以看出，在常規(guī)切削條件下，隨著切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量的增大，切屑鋸齒化程度提高，其中切削速度對(duì)鋸齒化程度的影響較大，原因是隨著切削速度的增大，絕熱剪切現(xiàn)象逐漸劇烈，導(dǎo)致鋸齒之間的接觸長(zhǎng)度減小，鋸齒化程度更加明顯，若繼續(xù)增大切削速度，將導(dǎo)致相鄰鋸齒分離；隨著進(jìn)給量和背吃刀量的增大，引起了切削溫度的升高，相鄰兩個(gè)鋸齒之間的裂紋增大，從而提高了鋸齒化程度。在高壓冷卻條件下，鋸齒化程度低于常規(guī)切削條件下的鋸齒化程度，其原因是在高壓冷卻條件下，由于高壓冷卻液的存在，冷卻液噴射至刀-屑接觸區(qū)域內(nèi)，將有效減少加工過(guò)程中所產(chǎn)生的切削熱量，從而抑制了絕熱剪切現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)減小了加工過(guò)程中所產(chǎn)生的摩擦力，使得切屑兩齒之間的接觸區(qū)長(zhǎng)度較常規(guī)切削下兩齒之間的接觸區(qū)長(zhǎng)度增大，因此降低了鋸齒化程度。

(a)切削速度對(duì)鋸齒化程度的影響

(b)進(jìn)給量對(duì)鋸齒化程度的影響

(c)背吃刀量對(duì)鋸齒化程度的影響圖7 切削用量對(duì)鋸齒化程度的影響Fig.7 Influence of cutting parameters on segmented degree

圖8所示為不同切削用量對(duì)鋸齒化頻率的影響規(guī)律，可以看出，在常規(guī)切削條件下，隨著切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量的增大，鋸齒化頻率減小，這是因?yàn)榻^熱剪切失穩(wěn)是鋸齒形切屑形成的原因，絕熱剪切現(xiàn)象隨著切削用量的增大而明顯，被切削金屬內(nèi)部發(fā)生剪切滑移，切屑變形區(qū)中未變形的區(qū)域增大，鋸齒化頻率減??；同時(shí)由于進(jìn)給量和背吃刀量的增大，使得切屑變形量增大，切屑剪切滑移區(qū)面積向鋸齒頂層擴(kuò)大，使得單個(gè)鋸齒形成的速度減慢，進(jìn)而影響了整體切屑的流出速度，最終導(dǎo)致鋸齒化頻率降低。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削用量相同時(shí)，高壓冷卻條件下的鋸齒化頻率小于常規(guī)條件下的鋸齒化頻率，原因是高壓冷卻條件抑制了絕熱剪切現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(a)切削速度對(duì)鋸齒化頻率的影響

(b)進(jìn)給量對(duì)鋸齒化頻率的影響

(c)背吃刀量對(duì)鋸齒化頻率的影響圖8 切削用量對(duì)鋸齒化頻率的影響Fig.8 Influence of cutting parameters on serration frequency

(a)切削速度對(duì)鋸齒化步距的影響

(b)進(jìn)給量對(duì)鋸齒化步距的影響

(c)背吃刀量對(duì)鋸齒化步距的影響圖9 切削用量對(duì)鋸齒化步距的影響Fig.9 Influence of cutting parameters on serration step pitch

圖9所示為不同切削用量對(duì)鋸齒化步距的影響規(guī)律，可以看出，兩種條件下的鋸齒化步距均隨著切削用量的增大而增大，但高壓冷卻條件下的鋸齒化步距較小，原因是隨著切削速度的增大，相鄰鋸齒間的連接面積減小，加劇了相鄰鋸齒的分離；隨著進(jìn)給量和背吃刀量的的增大，刀-屑接觸面積增大，產(chǎn)生了足夠的切削熱量，可對(duì)切削區(qū)金屬進(jìn)行軟化，切屑側(cè)向翻轉(zhuǎn)可能性增大，相鄰鋸齒間的裂紋增大，鋸齒化步距增大。而高壓冷卻液的存在，使得切削溫度降低，材料軟化效應(yīng)減弱，因此在高壓冷卻條件下的鋸齒化步距較?。挥捎诋?dāng)PCBN刀具切削洛氏硬度大于50 HRC的硬質(zhì)材料時(shí)，背吃刀量選擇一般不小于0.3 mm，因?yàn)樾”吵缘读壳邢饕自斐傻毒吣p[19]，使得切削力增大，又由于附加冷卻液壓力的存在，使得切屑受擠壓變形程度增大，鋸齒間的裂紋增大，因此當(dāng)背吃刀量為0.2 mm時(shí)，高壓冷卻條件下的鋸齒化步距大于常規(guī)切削條件下的鋸齒化步距。

2.3.2冷卻液壓力對(duì)切屑幾何表征的影響

(a)鋸齒化程度

(b)鋸齒化頻率

(c)鋸齒化步距圖10 冷卻液壓力對(duì)切屑幾何表征的影響Fig.10 Influence of coolant pressure on geometrical characterization of chip

圖10所示為切削用量一定時(shí)，冷卻液壓力對(duì)切屑幾何表征的影響規(guī)律，其中圖10a所示為冷卻液壓力對(duì)鋸齒化程度的影響，可以看出，隨著冷卻液壓力的增大，鋸齒化程度明顯降低，其原因是當(dāng)冷卻液壓力一定時(shí)，冷卻液能帶走部分切削熱量，切削溫度隨之降低；此外，隨著冷卻液壓力的增大，切屑所受的彎矩增大，斷屑效果增強(qiáng)，切屑內(nèi)部變形時(shí)間縮短，鋸齒形切屑相鄰鋸齒間的接觸長(zhǎng)度增大，鋸齒化程度降低，從而使得內(nèi)部變形程度更加均勻。圖10b所示為冷卻液壓力對(duì)鋸齒化頻率的影響，可以看出，當(dāng)切削用量一定時(shí)，隨著冷卻液壓力的增大，鋸齒化頻率增大，其原因是隨著冷卻液壓力的增大，冷卻液流量增加，帶走了更多的切削熱量，降低了切削溫度，從而減緩了絕熱剪切現(xiàn)象的發(fā)生速度，摩擦力減小，使得剪切滑移區(qū)鋸齒向頂層擴(kuò)散的距離減小，因此增大了鋸齒化頻率，從而使得鋸齒排列更加均勻。圖10c所示為冷卻液壓力對(duì)鋸齒化步距的影響，可以看出，隨著冷卻液壓力的增大，鋸齒化步距增大，當(dāng)冷卻液壓力增大至一定值后，鋸齒化步距開(kāi)始減小，這表明當(dāng)冷卻液壓力較小時(shí)，冷卻液壓力對(duì)切削溫度和摩擦力的影響較小，絕熱剪切現(xiàn)象依然嚴(yán)重；當(dāng)冷卻液壓力增大至一定值后，對(duì)絕熱剪切現(xiàn)象起到了良好的抑制效果，因此鋸齒化步距逐漸減小。

2.3.3切屑幾何表征的影響因素評(píng)價(jià)

在切削用量及冷卻液壓力對(duì)切屑幾何表征的影響規(guī)律分析過(guò)程中，不同影響因素具有不同的量綱，為了進(jìn)一步綜合對(duì)比評(píng)價(jià)切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量和冷卻液壓力對(duì)切屑幾何表征的影響程度，需要消除因素的量綱影響，以解決數(shù)據(jù)指標(biāo)的可比性，故采用了歸一化方法。切屑幾何表征的歸一化結(jié)果見(jiàn)圖11，其轉(zhuǎn)換函數(shù)為

(4)

式中，Y為量綱一數(shù)值；X為樣本數(shù)據(jù)值；Xmin為樣本數(shù)據(jù)最小值；Xmax為樣本數(shù)據(jù)最大值。

(a)鋸齒化程度

(b)鋸齒化頻率

(c)鋸齒化步距圖11 切屑幾何表征的歸一化結(jié)果Fig.11 The normalized results of geometrical characterization of chip

通過(guò)極差和極差比，分析圖 11所示的切屑幾何表征歸一化結(jié)果，對(duì)比評(píng)價(jià)切削用量和冷卻液壓力對(duì)切屑幾何表征的顯著性影響規(guī)律。由鋸齒化程度的歸一化結(jié)果(圖11a)可知，在切屑幾何表征試驗(yàn)范圍內(nèi)，切削用量和冷卻液壓力對(duì)鋸齒化程度的影響程度由高到低依次為切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量、冷卻液壓力，并得到切削速度對(duì)鋸齒化程度的影響是冷卻液壓力對(duì)鋸齒化程度影響的1.8倍左右。由鋸齒化頻率的歸一化結(jié)果(圖11b)可知，切削用量和冷卻液壓力對(duì)鋸齒化頻率的影響程度由高到低依次為進(jìn)給量、背吃刀量、冷卻液壓力、切削速度。由鋸齒化步距的歸一化結(jié)果(圖11c)可知，切削用量和冷卻液壓力對(duì)鋸齒化步距的影響程度由高到低依次為背吃刀量、切削速度、進(jìn)給量、冷卻液壓力。根據(jù)綜合對(duì)比評(píng)價(jià)可知，切削用量是鋸齒形切屑幾何表征的主要影響因素，但冷卻液壓力依然可以起到輔助降低切屑鋸齒化程度的作用，這是因?yàn)殇忼X形切屑是難加工材料切削加工產(chǎn)生的典型特征，與材料自身的物理力學(xué)性能有關(guān)，故切削用量和冷卻液壓力只是改善切屑變形程度及斷屑效果，且高壓冷卻條件在提升斷屑效果的同時(shí)可以降低切屑鋸齒化程度，從而可改善鋸齒形切屑的幾何表征，使切屑內(nèi)部形變程度更加均勻，是獲得良好屑形、改善切削環(huán)境的較好切削方式。

3 結(jié)論

(1)高壓冷卻條件可以明顯提升斷屑能力，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)(7～11 MPa)，冷卻液壓力越大，斷屑效果越顯著，切屑呈碎斷形。

(2)通過(guò)切削條件的對(duì)比，分析鋸齒形切屑幾何表征可知，高壓冷卻條件下鋸齒化程度、鋸齒化頻率和鋸齒化步距明顯較小；在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)(7～11 MPa)，隨著冷卻液壓力的增大，鋸齒化程度降低，鋸齒化頻率增大，鋸齒化步距先增大后減小。

(3)通過(guò)歸一化處理的方法可知，切削用量和冷卻液壓力對(duì)鋸齒化程度的影響程度由高到低依次為切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量、冷卻液壓力；高壓冷卻條件在提升斷屑效果的同時(shí)可以降低切屑鋸齒化程度，使切屑內(nèi)部形變程度更加均勻，是獲得良好屑形、改善切削環(huán)境的較好切削方式。