馬穎化，王坤峰

(1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)(2.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控加工中心，陜西 西安 710300)

GH4169高溫合金具有良好的抗氧化、抗腐蝕、抗高溫、組織穩(wěn)定等特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域[1]。但其屬于Ni基高溫合金，切削過程中容易產(chǎn)生加工硬化、切屑溫度高、已加工表面殘余應(yīng)力大等問題。表面殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)零件的裂紋缺陷擴(kuò)展速率、疲勞壽命等產(chǎn)生巨大影響[2]。同時(shí)，切削溫度高、材料散熱差會(huì)導(dǎo)致刀具刀尖位置溫度極高，造成前刀面軟化發(fā)生塑性變形，影響刀具的磨損及使用壽命[3]。

樂祺中等[4]通過對(duì)刀具表面織構(gòu)凹槽的角度、間距、寬度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)刀具前刀面平行于主切削刃設(shè)計(jì)凹槽狀織構(gòu)，織構(gòu)間距60 μm、寬度20 μm時(shí)，切削力、切削溫度最低。沈小強(qiáng)等[5]采用激光技術(shù)在刀具前、后刀面制備平行于主切削刃的溝槽型織構(gòu)，對(duì)切削力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度、小背吃刀量情況下，切削力明顯降低。吳艷英等[6]對(duì)微溝槽車刀車削合金鋼AISI_4140殘余應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明微溝槽能夠提高殘余壓應(yīng)力，減小殘余拉應(yīng)力。目前的研究多集中于對(duì)微溝槽刀具的切削力、刀具磨損等方面進(jìn)行研究，刀具微溝槽參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)零件表面殘余應(yīng)力及刀具切削力等綜合影響研究不足。本文采用正交試驗(yàn)法研究微溝槽刀具切削GH4169高溫合金對(duì)已加工面表層殘余應(yīng)力分布、切削力及切削溫度的綜合影響，定量描述微溝槽刀具對(duì)切削性能和加工材料表面完整性的影響規(guī)律。

1 切削試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 切削加工幾何模型

工件尺寸為2 mm×1 mm，刀具后角α=10°，刀尖圓角半徑R=0.01 mm，刀具幾何尺寸如圖1所示。由于切削層變形、刀-屑摩擦主要發(fā)生在刀具前刀面主切削刃區(qū)域，因此在刀具前刀面設(shè)計(jì)橫向矩形、橫向梯形兩種微溝槽形狀，如圖2所示。

圖1 刀具幾何尺寸

圖2 微溝槽刀具

1.2 材料本構(gòu)模型

GH4169高溫合金在高溫、高應(yīng)力和高應(yīng)變率下發(fā)生塑性變形，Johnson-Cook(簡(jiǎn)稱J-C)材料力學(xué)模型能夠很好地反映切削加工情況下材料的本構(gòu)行為，該模型表達(dá)式如下：

(1)

切屑分離準(zhǔn)則采用J-C材料剪切失效模型，對(duì)于GH4169高溫合金，其失效模型參數(shù)d1，d2，d3，d4，d5分別取980，1 370，0.15，0.02，1.03[7]。

1.3 接觸摩擦模型

切削加工中刀具前刀面摩擦復(fù)雜，試驗(yàn)證明刀具前刀面存在兩種摩擦區(qū)域(滑移區(qū)和粘結(jié)區(qū))，有限元切削模擬中采用修正庫(kù)侖摩擦定律，其表達(dá)式如下：

τf=min(μσn,τs)

(2)

式中：τf為摩擦剪應(yīng)力；τs為工件最大剪應(yīng)力；σn為接觸點(diǎn)正應(yīng)力；μ為摩擦系數(shù)。

GH4169高溫合金切削加工模擬中粘結(jié)區(qū)摩擦系數(shù)設(shè)為1，滑移區(qū)摩擦系數(shù)設(shè)為0.3[8]。

2 仿真試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

切削加工中刀具微溝槽設(shè)計(jì)參數(shù)(幾何形狀、深度、間距)、切削深度、刀具幾何角度(前角、后角)等均對(duì)刀具切削性能和材料力學(xué)性能有重要的影響。本文采用正交試驗(yàn)法，根據(jù)文獻(xiàn)資料及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選取刀具微溝槽幾何形狀、深度、刀具前角作為正交試驗(yàn)因素，各因素選取3個(gè)水平進(jìn)行仿真研究，見表1。

表1 刀具微溝槽參數(shù)因素水平表

將各因素及水平放入正交表對(duì)應(yīng)位置，可確定試驗(yàn)方案，由于試驗(yàn)為3因素3水平問題，因此采用正交實(shí)驗(yàn)中L9(33)正交表安排試驗(yàn)，方案見表2。切削速度為40 m/min，切削深度為0.1 mm，分別以切削力、切削溫度、已加工表層殘余應(yīng)力分布為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表2 刀具微溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)GH4169切削性能影響正交試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同刀具參數(shù)對(duì)切削力的影響

切削力是分析衡量刀具磨損和使用壽命的重要指標(biāo)，研究表明，刀具磨損加劇時(shí)切削力峰值變大，切削力波動(dòng)過大時(shí)刀具容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象[9]。根據(jù)表2正交方案完成試驗(yàn)，切削力隨時(shí)間變化如圖3所示，不同參數(shù)刀具切削，切削力變化明顯。因此設(shè)計(jì)和制備刀具時(shí)，應(yīng)考慮刀具微溝槽參數(shù)對(duì)切削力的影響。

圖3 不同刀具參數(shù)切削力變化情況

表3所示為切削力正交試驗(yàn)極差分析，其中K為各因素在3個(gè)水平的切削力平均值，R為3個(gè)水平切削力平均值的極差，極差值越大，說明該因素為重要影響因素，反之則對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小。由表3極差分析結(jié)果可知，各參數(shù)對(duì)切削力的影響程度依次順序?yàn)榈毒咔敖?溝槽形狀>溝槽深度；以刀具切削力為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)取表3中K1、K2、K3的最小值為最優(yōu)參數(shù)組合為梯形微溝槽，溝槽深度4 μm，刀具前角10°。

表3 切削力正交試驗(yàn)極差分析

3.2 不同刀具參數(shù)對(duì)切削溫度的影響

切削加工中產(chǎn)生的切削熱主要為刀具前刀面與切屑粘結(jié)摩擦產(chǎn)生的熱量，刀具溫度過高，容易造成刀具磨損，降低刀具使用壽命，影響已加工表面質(zhì)量。GH4169高溫合金在切削過程中因?qū)嵯禂?shù)小，切削區(qū)容易集中切削熱，形成極高的切削溫度[10]。根據(jù)表2正交方案完成試驗(yàn)，刀具前刀面溫度隨時(shí)間變化如圖4所示，切削過程中平均切削溫度最大為425.29 ℃，最小為378.63 ℃，降低了12.3%。

圖4 刀具切削溫度隨時(shí)間變化

表4為極差分析結(jié)果，微溝槽形狀極差最大為64.25，說明刀具前刀面微溝槽形狀對(duì)切削溫度影響最為明顯，其主要原因是刀具前刀面與切屑摩擦接觸面積減小，散熱面積增大，同時(shí)微溝槽刀具加工中對(duì)切屑進(jìn)行二次切削，斷屑后容易散熱。各參數(shù)對(duì)切削溫度的影響順序依次為微溝槽形狀>微溝槽深度>刀具前角，取最優(yōu)參數(shù)組合為梯形溝槽形狀，溝槽深度為4 μm，刀具前角為10°，這與切削力的最優(yōu)選擇一致，說明微溝槽形貌有利于降低切削力、切削溫度，提高刀具使用壽命。

表4 切削溫度正交試驗(yàn)極差分析

3.3 不同刀具參數(shù)對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響

切削加工時(shí)因受到熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、組織相變等綜合因素影響，已加工面表層容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可使零件發(fā)生變形和畸變，殘余拉應(yīng)力可加快工件微小裂紋擴(kuò)展速率，通過調(diào)整切削參數(shù)，優(yōu)化殘余應(yīng)力分布，可有效提高零件表面硬度和疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)零件的使用壽命[11]。圖5所示為不同試驗(yàn)方案已加工面表層殘余應(yīng)力分布情況，由圖可知，殘余應(yīng)力在工件表層呈先拉應(yīng)力后逐漸轉(zhuǎn)變壓應(yīng)力，最終壓應(yīng)力趨于0的“勺形”分布規(guī)律，這主要是由于GH4169高溫合金導(dǎo)熱系數(shù)小，工件表層溫度高于里層，里層深度增加，熱效應(yīng)減弱，機(jī)械應(yīng)力作用引起壓應(yīng)力。方案2已加工表面殘余拉應(yīng)力最大為441.17 MPa，方案5殘余拉應(yīng)力最大為137.79 MPa，應(yīng)力明顯降低，表明刀具槽形及刀具前角對(duì)殘余應(yīng)力的分布存在明顯影響。

圖5 工件表層殘余應(yīng)力分布

圖6為各試驗(yàn)方案殘余壓應(yīng)力的分布深度，數(shù)據(jù)顯示微溝槽刀具加快了壓應(yīng)力的出現(xiàn)，且增加了切削表層殘余壓應(yīng)力分布深度，其主要原因?yàn)槲喜坌螤顪p小了刀具前刀面與切屑接觸面積及粘結(jié)摩擦，使得GH4169高溫合金加工時(shí)熱效應(yīng)降低，機(jī)械效應(yīng)增加。以殘余壓應(yīng)力分布深度為指標(biāo)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，微溝槽形狀、溝槽深度、刀具前角極差分別為0.049，0.015，0.003，表明刀具前角對(duì)殘余應(yīng)力分布影響最小。因此，刀具最優(yōu)參數(shù)組合為矩形溝槽形狀、溝槽深度4 μm、刀具前角10°。

圖6 殘余壓應(yīng)力分布深度

3.4 結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.4.1優(yōu)化分析

圖7所示為兩種刀具切削過程溫度變化情況，梯形溝槽升溫較快，且最高溫度為507.01 ℃，而矩形溝槽最高溫度為475.95 ℃，主要原因?yàn)榫匦螠喜巯啾扔谔菪螠喜凵崦娣e大，能夠有效提高刀具散熱效率。圖8為兩種刀具切削完成后工件已加工表面殘余應(yīng)力分布情況，數(shù)據(jù)顯示已加工表層殘余壓應(yīng)力分布深度為0.085 mm、0.093 mm，矩形溝槽刀具相比于梯形溝槽刀具殘余壓應(yīng)力分布深度較大，原因是散熱面積大，材料導(dǎo)熱系數(shù)小，熱效應(yīng)影響明顯。

圖7 刀具切削溫度變化

圖8 工件殘余應(yīng)力分布

3.4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

在CK6130車床上進(jìn)行切削試驗(yàn)(如圖9所示)，試驗(yàn)制備兩種不同微溝槽形狀(矩形、梯形)刀具，刀具溝槽深度均為4 μm，刀具前角均為10°，刀具材料為YG8，試驗(yàn)采用9257B型壓電式測(cè)力儀測(cè)量切削力，待切削力變化穩(wěn)定后，測(cè)量提取數(shù)據(jù)計(jì)算平均切削力。切削溫度采用紅外成像儀FLIR A615測(cè)量，設(shè)備準(zhǔn)確率為±2 ℃，提取其切削穩(wěn)定后溫度。兩種刀具切削情況下，切削力平均值、最高切削溫度如圖10所示，切削力與切削溫度變化情況與仿真結(jié)果相符，矩形微溝槽由于散熱面積大，其切削溫度明顯低于梯形溝槽；而梯形溝槽由于保證了刀具強(qiáng)度，其切削力相比于矩形溝槽刀具略小。同理，可確定切削溫度對(duì)殘余應(yīng)力影響較大。

圖9 切削試驗(yàn)平臺(tái)

圖10 不同溝槽形狀刀具切削力和切削溫度對(duì)比

結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，以及GH4169高溫合金材料特性及應(yīng)用場(chǎng)合，以切削溫度及已加工表層殘余應(yīng)力分布為指標(biāo)，可得刀具的最優(yōu)參數(shù)組合為矩形溝槽形狀、織構(gòu)深度4 μm、刀具前角10°。

4 結(jié)束語

采用正交試驗(yàn)法研究微溝槽刀具切削GH4169高溫合金，創(chuàng)新探究微溝槽刀具對(duì)切削力、切削溫度及已加工表層殘余應(yīng)力分布的綜合影響，進(jìn)而優(yōu)化了微溝槽刀具參數(shù)。主要結(jié)論為：切削加工中，微溝槽形狀、刀具前角對(duì)切削溫度、切削力變化影響較大，前角增大，切削力減小，梯形微溝槽有利于降低切削溫度。微溝槽形狀對(duì)已加工表層殘余應(yīng)力分布影響最大，矩形微溝槽刀具有利于降低零件表面殘余拉應(yīng)力，增加殘余壓應(yīng)力分布深度。綜合考慮微溝槽刀具對(duì)切削力、切削溫度及殘余應(yīng)力分布的影響，選擇最優(yōu)微溝槽刀具參數(shù)組合為矩形溝槽形狀、溝槽深度4 μm、刀具前角10°。