高 奇 郭光巖 靳 潑

(遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001)

單晶高溫合金材料制造的微型結構/零件結合了微型特征和高溫合金材料的耐高溫性能，被廣泛應用于需要耐高溫的工作環(huán)境中[1]。單晶高溫合金材料的切削應力大、切削溫度高、加工硬化嚴重[2]，材料的去除機理區(qū)別于多晶材料。切削產生的切屑及毛刺嚴重影響工件的表面質量，是典型的難加工材料[3]。目前，針對鋸齒切屑的研究主要基于絕熱剪切理論[4-5]。Kumanchik L M[6]在考慮齒面擺線運動、齒距不均勻的情況下，給出了銑削過程中切屑厚度的解析表達式。Li B[7]研究了AISI H13鋼硬銑削過程中鋸齒切屑的形成過程，AISI H13鋼硬銑削過程中鋸齒形切屑的形成機理主要是絕熱剪切伴隨周期性裂紋的形成，有利于切分程度的提高。殷繼花[8]分析了航空鋁合金高速銑削鋸齒形切屑的形成過程及機理，提出考慮剪切帶寬度變化的三階段鋸齒形切屑形成模型。倪陳兵[9]對超聲輔助銑削和普通銑削進行對比研究，證明超聲銑削的切屑形態(tài)和力學信號具有獨立特征，質量明顯改善。李陽等[10-11]進行了刀具刃圓半徑對切屑的影響機理的分析和實驗研究，得出切削速度是影響切屑形態(tài)和表面形貌的直接因素。

大多數學者的研究對象均為硬質碳鋼和合金等多晶材料，對于單晶高溫合金的研究較少，基于材料去除機理的切屑形成過程未見報道。因此本文采用微銑削刀具對單晶鎳基高溫合金DD98進行微銑削實驗，觀察切屑形貌，揭示單晶材料切屑的去除機理，建立單晶材料的去除理論模型，對切屑鋸齒化程度的相關影響要素進行了分析。

1 實驗設計

(1)為保證微銑削零件具有較好的質量，微加工機床要求具有較高的轉速以獲得較大的切削速度，并且具有較高的定位精度和加工精度。本實驗采用巨蟹JX-1A精密微加工機床，可根據不同需求實現(xiàn)微小特征的平面及復雜曲面的加工，如圖1所示。

(2)實驗材料為中科院材料研究所研制的第二代單晶鎳基高溫合金DD98，通過ULTRA-PLUS 場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行合金組織觀察，如圖2所示。

(3)微銑削刀具采用M.A.Ford公司生產的硬質合金立銑刀，直徑0.6 mm，刃長1.8 mm，總長38 mm，刀尖鈍圓半徑0.93 μm，無涂層。硬度達HRA 89～93，能耐850 ℃～1 000 ℃的高溫，可加工包括淬硬鋼在內的多種材料。

2 微銑削切屑形態(tài)研究

單晶微細銑削機理區(qū)別于宏觀切削機理，產生了較大的變化，在形成切屑過程中產生的一些物理現(xiàn)象如刀具的磨損、切削力的突變、毛刺的形狀等問題，都同微切削過程有關，切屑的形成機理一直是微切削機理研究的重點之一。對于單晶高溫合金這類難加工材料能夠在高溫條件下保持較高的強度和硬度，在切削過程中，切削力大，切削溫度高，會產生較大的塑性變形，較小的切屑不易產生大量的宏觀連續(xù)切屑。隨著切削速度的提高，剪切變形區(qū)越來越窄，形成集中剪切滑移，最終切除材料為節(jié)狀切屑。

2.1 單晶高溫合金材料微銑削切屑形態(tài)

采用硬質合金刀具對單晶鎳基高溫合金DD98進行微銑削，微切屑特征尺寸極小，不易拾取，因此將掃面電鏡觀察用的導電膠帶固定于被銑削工件旁，用于收集切屑。改變不同的進給速度，以盡可能多的收集不同形態(tài)的切屑，選取有代表性的切屑進行機理分析。如圖3所示，圖3a反映了微銑削過程中切屑的變形程度，微銑削切削參數小，當進給量小于刀具刃圓半徑時，刀具與工件摩擦產生劇烈的不均勻變形，犁耕與劃擦占主導地位，尚不能產生連續(xù)切屑，將圖3a左上角碎末切屑定義為擠出切屑，當進給量大于刃圓半徑時，被銑削工件材料的有效流動應力增大，隨著切削的進行，使流動應力大于材料的斷裂強度，產生完整的連續(xù)的微觀節(jié)狀切屑。

其中切屑摩擦前刀面部分形成切屑內表面，滑動量小，相對光滑，外表面隆起產生每節(jié)梯形切屑狀，整體切屑表面呈鋸齒狀，如圖3b所示。根據切屑的形態(tài)將刀具端刃處切除的材料切屑定義為非自由端，刀具側刃切除的材料切屑定義為自由端，由圖3b可知，切屑的非自由端相對光滑，而自由端呈開裂狀。這是因為在瞬時的切削過程中，由于微銑削刀具的刃徑小，切屑的流動速度小于刃徑的切削速度，切屑的非自由端受到底面表層的阻力抑制了毛邊的角度，未產生較大開裂。切屑受刀具前刀面的強烈摩擦作用，加之材料的低導熱性，切屑流動受到阻力并趨向自由端流動，較高的應變速率造成了加工硬化，因此出現(xiàn)自由端的開裂毛邊現(xiàn)象。

單晶DD98化學活性高，刀尖處容易和切削材料發(fā)生反應，已加工表面的彈性回復大，造成后刀面擠壓摩擦嚴重，因此對圖4a切屑內表面進行能譜分析，如圖4b所示，檢測元素化學成分如表1所示。

表1 能譜檢測點質量分數 %

從微銑削切屑能譜圖檢測的元素成分看，在切屑表面多了9.96%的C，為硬質合金刀具元素，證明發(fā)生了元素的擴散磨損，使切屑產生了硬化作用，作為工件材料的主要元素Ni含量降低到52.19%，為刀具微刃切削工件的劃擦所致，在切屑表面清晰可見劃痕，為刀具顆粒摩擦所致。

2.2 單晶高溫合金切屑去除機理

根據微銑削單晶鎳基高溫合金DD98產生的圖3b所示切屑形態(tài)，建立如圖5所示的切屑形成理論示意圖。區(qū)別于宏觀切削，微銑削模式下的擴展剪切帶是切屑底部非自由端不斷劃擦形成的曲線擴展帶，當切屑節(jié)完全形成后脫離未切削材料基體，進而產生塑性失穩(wěn)。單晶高溫合金微細銑削產生的切屑為不連續(xù)鋸齒狀特征，這是由于銑削材料過程中，主剪切區(qū)發(fā)生熱性失穩(wěn)，即單晶高溫合金較差的導熱性造成局部升溫導致的熱軟化效應超過了變形強化效應而發(fā)生了絕熱剪切現(xiàn)象，同時微銑削條件下，刀具直徑小，切屑與刀具前刀面接觸長度短小，刀尖引起較大的應力。隨著刃齒進給，切屑節(jié)塊單元發(fā)生剪切滑移，材料受剪切應力超過了材料的屈服極限，在剪切面上塑性失穩(wěn)，形成第一節(jié)切屑，并沿前刀面向上推進，隨之產生第二節(jié)切屑，相鄰切屑在集中剪切帶上相對滑移，第一節(jié)切屑形成過程全部完成?；茙Ъ词枪?jié)狀單元連接處，隨即后續(xù)的切屑不斷推進，切削力再次增大，造成循環(huán)的塑性失穩(wěn)，產生鋸齒形的集中剪切滑移切屑。

目前關于鋸齒形切屑更多的理論支持為考慮熱-力耦合作用的絕熱剪切理論，Komandrui R[12]是最早提出絕熱剪切理論的學者之一，并用此理論解釋高速切削過程產生的鋸齒形切屑現(xiàn)象。熱塑性失穩(wěn)解釋絕熱剪切，即塑性應變硬化和絕熱溫升導致的熱軟化兩者之間的平衡消長，當塑性應變硬化超過絕熱溫升的熱軟化時，材料為穩(wěn)定的塑性變形階段，當絕熱溫升的熱軟化作用超過塑性應變硬化的時候進入非穩(wěn)定塑性階段，也就是說絕熱剪切帶是熱軟化作用克服了應變硬化作用而產生的。在熱力耦合作用下應力開始時隨應變線性增長，當應力到達一定值后，應力達到最大，隨后應力急速下降，發(fā)生剪切失穩(wěn)?？紤]應變、應變率、和溫度的影響，單晶DD98熱粘性材料本構方程在二維剪切情況符合下式。

(1)

通過熱-力耦合作用下的失穩(wěn)分析，當發(fā)生絕熱剪切的臨界條件可表示為：

(2)

即有：

(3)

2.3 切屑鋸齒化程度分析

單晶DD98在微銑削過程中，工件處于高溫、大應變下發(fā)生彈塑性變形，在較小的進給參數條件下，被銑削的金屬材料在刀具的作用下變成切屑的時間非常短，被銑削的金屬層各處的應變、應變速率和溫度不均勻分布且梯度較大。通過相應分析可知，微銑削切屑的鋸齒形內部節(jié)狀單元狀態(tài)與切削速度緊密相關，設定加工參數為：刀具直徑0.6 mm，主軸轉速依次為12 000 r/min, 24 000 r/min, 36 000 r/min, 48 000 r/min, 60 000 r/min, 對應切削速度依次為：377 mm/s, 754 mm/s, 1 130 mm/s, 1 508 mm/s,1 884 mm/s，進給速度60 μm/s，銑削深度為10 μm，通過SEM觀察切屑形貌，如圖6所示。

由圖6a所示切削速度為377 mm/s時，切削速度較低，單晶DD98微銑削鋸齒形切屑并不明顯，擠壓痕較明顯，切屑狀態(tài)不連續(xù)，當切削速度高于754 mm/s時，如圖6b所示鋸齒形切屑特征開始顯現(xiàn)，鋸齒的密集化程度較大，隨著切削速度的繼續(xù)增大，單晶DD98微銑削鋸齒形切屑內節(jié)狀單元寬度減小，鋸齒產生的頻率隨著切削速度的增大而升高，如圖6d所示每個切屑內部的節(jié)狀單元基本保持一定的大小。原因為切削速度的提高導致工件材料的應變率增加，切削溫度升高，導致的熱軟化效應降低了DD98材料的脆性，使工件材料更易產生絕熱剪切變形。在這里發(fā)現(xiàn)，微銑削單晶高溫合金材料在低于宏觀的高速切削速度條件下也產生了絕熱剪切變形，即微銑削條件下較大的應變率和切削熱導致了鋸齒形貌切屑的產生。

3 結語

(1)獲得了微銑削單晶材料的切屑去除形態(tài)，當進給量大于刃圓半徑時，被銑削工件材料的有效流動應力增大，產生完整的連續(xù)的微觀節(jié)狀切屑。

(2)對微銑削后的切屑形貌進行了SEM分析，在此基礎上建立了單晶材料的切屑去除理論模型。

(3)完成了單晶高溫合金的切屑鋸齒化程度分析，鋸齒產生的頻率隨著切削速度的增大而升高，微銑削單晶高溫合金材料在低于宏觀的高速切削速度條件下同樣產生了絕熱剪切變形。