李 超，張好強(qiáng)

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

Waspaloy是一種適用于時(shí)效硬化的鎳基高溫合金，是由美國的普拉特和惠特尼公司在20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的，與我國GH738或GH864牌號(hào)相對(duì)應(yīng)。Waspaloy合金在760 ℃以下具有高的拉伸和持久強(qiáng)度，在870 ℃以下具有良好的抗氧化性能和拉伸力學(xué)性能，抗疲勞、抗蠕變、抗腐蝕，還具有優(yōu)良的可焊性、良好的韌性，適用于高溫、高負(fù)荷的場合[1]。

Waspaloy鎳基高溫合金被認(rèn)為是難加工材料的主要原因如下[2-4]:①加工硬化特性：加工過程中刀具-切屑界面摩擦力大，刀具發(fā)生災(zāi)難性塑性失效，形成硬化層，嚴(yán)重影響切削加工;②導(dǎo)熱系數(shù)低：對(duì)于高溫合金，導(dǎo)熱系數(shù)低，僅相當(dāng)于45鋼的25%，容易在刀具與被加工零件之間積累切削熱；③強(qiáng)度高：高溫合金的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度都很高，切削阻抗大，所以切削刃端容易產(chǎn)生高壓、高溫和刀具變形；④親和性強(qiáng)：對(duì)于銑削等不連續(xù)切削，刀尖與切屑之間可能存在熔化現(xiàn)象，而熔融物質(zhì)的產(chǎn)生對(duì)刀具壽命有嚴(yán)重的影響。

許多學(xué)者對(duì)Waspaloy合金的切削性能進(jìn)行了研究。宋曉慶等[5]確定了鎳基高溫合金Waspaloy車削加工的合理參數(shù)，確保鎳基高溫合金Waspaloy切削加工的表面完整性，同時(shí)提高零件疲勞壽命。Yildirim等[6]研究得出Waspaloy合金的切削刀具主要受粘結(jié)磨損影響。Yildirim[7]等研究了Waspaloy鎳基高溫合金在微量潤滑系統(tǒng)下的銑削過程中的刀具壽命、磨損行為和表面粗糙度。

為確定Waspaloy合金的最佳銑削參數(shù)，本文采用AdvantEdge軟件建立三維銑削模型，并研究了切削參數(shù)對(duì)切削力、切削溫度和刀具磨損狀況的影響，為難加工材料銑削參數(shù)確定提供有力依據(jù)，也是為得到更加優(yōu)異的合金材料的加工方法奠定基礎(chǔ)。

1 切削的幾何及有限元模型

1.1 三維銑削模型的建立

通過AdvantEdge軟件建立三維銑削模型，刀具材料采用PCB(其力學(xué)性能如表1所示)，規(guī)格為ATKT160404；工件為Waspaloy合金，尺寸為100 mm×55 mm×5 mm，其化學(xué)成分見表2；采用端銑的方式，三維銑削模型見圖1。

圖1 三維銑削模型

表1 PCB力學(xué)性能

表2 Waspaloy化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 材料的本構(gòu)模型

銑削材料為Waspaloy合金板，整個(gè)切削仿真過程為干切削。Johnson-Cook本構(gòu)模型是切削仿真中應(yīng)用較廣的一種本構(gòu)模型，能夠反映此金屬材料在加工過程中的變形特性，其具體表達(dá)式為：

(1)

(2)

A1、B1、C1、m和n為待定系數(shù)，與材料本身屬性和狀態(tài)有關(guān)。Waspaloy合金物理力學(xué)性能如表3所示。

表3 Waspaloy合金物理力學(xué)性能

1.3 刀具磨損模型

Usui磨損模型主要是利用后刀面磨損，不論是對(duì)剛開始的粘結(jié)磨損，還是對(duì)后續(xù)的擴(kuò)散磨損，都能很好地預(yù)測刀具磨損情況。

Usui磨損模型綜合分析了切削速度、切削溫度和切削力對(duì)刀具磨損的影響，其具體表達(dá)式為：

(3)

1.4 銑削模型網(wǎng)格劃分

有限元分析模型得到的精度與所用的有限元網(wǎng)格密切相關(guān)。AdvantEdge軟件可自動(dòng)劃分網(wǎng)格，通過改變參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。網(wǎng)格劃分等級(jí)參數(shù)G的大小決定了靠近切削刃部分網(wǎng)格由粗到細(xì)變化的快慢，取值范圍為0.1～1，G=0.1時(shí)為全局細(xì)網(wǎng)格，G=1時(shí)為全局粗網(wǎng)格。本模型取網(wǎng)格等級(jí)G=0.5。其中刀具的最大網(wǎng)格單元尺寸為1 mm，最小為0.1 mm；工件的最小網(wǎng)格單元尺寸為0.12 mm,最大為1.5 mm。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

工程實(shí)際應(yīng)用中對(duì)研究目標(biāo)而言存在多因素影響，如果逐個(gè)分析，研究成本和資源耗費(fèi)巨大，而正交試驗(yàn)正好解決這個(gè)問題，通過最少的試驗(yàn)次數(shù)，得到最佳切削參數(shù)組合。

切削力和切削溫度是影響切削加工過程的重要表征參數(shù)，直接影響工件的表面質(zhì)量及刀具壽命。刀具壽命主要是通過刀具磨損程度來區(qū)分的，包含了前刀面磨損、后刀面磨損和邊界磨損。為了直觀分析切削力、切削溫度以及刀具磨損情況，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，采用的因素及水平如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)因素及水平

2.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

為了減少試驗(yàn)次數(shù)，得到最佳銑削參數(shù)，利用正交試驗(yàn)繪制四因素三水平的正交表進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表5。表5中，F(xiàn)為銑削力，t為刀具切削溫度，VBmax為后刀面磨損速率。

表5 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

3 仿真結(jié)果分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

銑削力可分解為周向力Fy、進(jìn)給力Fx和徑向力Fz三個(gè)分量，是決定材料切削性能的主要因素。圖2～圖4是銑削力與銑削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和銑削深度的變化趨勢。從圖2～圖4可以看出：銑削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和銑削深度的增大而上升；銑削力隨進(jìn)給量、銑削深度的增大而上升，隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈下降的趨勢。造成這種現(xiàn)象的主要原因是Waspaloy合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，切削熱不宜擴(kuò)散，從而使工件軟化，切削力降低。

圖2 銑削力和銑削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢(fz=0.08 mm/z，ap=1 mm) 圖3 銑削力和銑削溫度隨進(jìn)給量的變化趨勢(n=7 000 r/min，ap=1 mm) 圖4 銑削力和銑削溫度隨銑削深度的變化趨勢(n=7 000 r/min，fz=0.06 mm/z)

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 銑削力與銑削溫度

(1) 銑削力。銑削力的極差分析結(jié)果如表6所示。表6中，k1、k2、k3為每一水平的試驗(yàn)結(jié)果之和的平均數(shù)，R為極差。

從表6中可以看出：銑削深度與進(jìn)給量對(duì)銑削力的影響較為明顯；由極差值可以得到影響銑削力的因素次序?yàn)殂娤魃疃?進(jìn)給量>主軸轉(zhuǎn)速；在所選取的參數(shù)范圍內(nèi)，最優(yōu)參數(shù)為n=7 000 r/min，fz=0.06 mm/z，ap=0.8 mm。

表6 銑削力F的極差分析結(jié)果

(2) 銑削溫度。表7是銑削溫度的極差分析結(jié)果，可以看出:進(jìn)給量是影響銑削溫度的主要因素，其次是主軸轉(zhuǎn)速，銑削深度影響最??；在所選參數(shù)范圍內(nèi)，銑削參數(shù)最優(yōu)水平為B2A3C3，即n=7 000 r/min，fz=0.07 mm/z，ap=1.2 mm。

表7 銑削溫度t的極差分析結(jié)果

3.2.2 刀具磨損

(1) 后刀面磨損。圖5是AdvantEdge軟件仿真所得到的PCB刀具磨損特征圖。從圖5可以看出，前刀面和后刀面的磨損輪廓比較明顯，前刀面出現(xiàn)了月牙洼，主要是由于刀具的前刀面和第二變形區(qū)接觸，散熱困難使接觸區(qū)域具有較高的溫度和壓力造成的；后刀面磨損與月牙洼磨損相比，出現(xiàn)的晚一些，它是由刀具與已加工表面摩擦產(chǎn)生的，具有不均勻性。

圖5 PCB刀具磨損特征圖

磨損測量方式利用了有限元軟件的后處理，對(duì)正交試驗(yàn)條件下的刀具磨損進(jìn)行測量。

(2) 后刀面磨損極差分析。后刀面磨損VBmax極差分析結(jié)果如表8所示。通過極差的比較可以看出：各因素影響依次為進(jìn)給量>銑削深度>主軸轉(zhuǎn)速；后刀面最小磨損水平為B2C3A3，即n=7 000 r/min，fz=0.07 mm/z，ap=1.2 mm。

表8 VBmax的極差分析結(jié)果

3.3 切屑分析

圖6是不同主軸轉(zhuǎn)速條件下的切屑形態(tài)。從圖6中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切屑的碎片化程度增大。這些結(jié)果與文獻(xiàn)[8]在類似難切割材料上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖6 不同主軸轉(zhuǎn)速下的Waspaloy切屑形態(tài)

鋸齒狀切屑的形成是切屑剪切面上的絕熱剪切作用和切屑自由表面的循環(huán)裂紋作用的結(jié)果。而高溫合金主要是由于切屑各部分變形極端不平衡，造成節(jié)與節(jié)之間產(chǎn)生劇烈的剪切滑移，使切屑不連續(xù)，也有人稱這種集中剪切滑移為熱塑剪切失穩(wěn)[9]。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用AdvantEdge軟件對(duì)Waspaloy合金進(jìn)行有限元銑削加工仿真，得到如下結(jié)論：

(1) 在單因素條件下，銑削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和銑削深度的增大而上升；銑削力與進(jìn)給量和銑削深度成正比，與主軸轉(zhuǎn)速成反比。

(2) 通過正交試驗(yàn)極差分析，在所選銑削參數(shù)范圍內(nèi)，銑削力的最佳銑削參數(shù)為n=7 000 r/min，fz=0.06 mm/z，ap=0.8 mm，各因素影響大小為ap>fz>n；銑削溫度的最佳切削參數(shù)為n=7 000 r/min，fz=0.07 mm/z，ap=1.2 mm，各因素影響大小為fz>n>ap；刀具后刀面最小磨損的切削參數(shù)為n=7 000 r/min，fz=0.07 mm/z，ap=1.2 mm,各因素影響大小為fz>ap>n。

(3) 切屑隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增加，碎片化程度增大，鋸齒形越明顯。