紀任可，鄭光明，韓康寧，李勛

(1.山東理工大學機械工程學院，山東淄博 255000；2.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

0 前言

高溫合金具有優(yōu)良的熱強性能、熱穩(wěn)定性能及熱疲勞性能，可以長期穩(wěn)定地工作在高溫氧化和燃氣腐蝕環(huán)境中，是制造航空發(fā)動機壓氣機整體葉盤、葉片的主要材料之一。球頭刀銑削加工是整體葉盤型面、葉片型面的主要加工方式。因此，研究球頭刀銑削高溫合金GH4169的加工表面完整性對于提升整體葉盤型面、葉片型面的加工質量及其抗疲勞性能具有重要意義。

美國學者FIELD和KAHLES于1964年首次提出表面完整性的概念，并且給出了獲取表面完整性的具體步驟。 至今，高溫合金GH4169的加工表面完整性及其對試件疲勞性能的影響機制研究仍是機械制造領域內的熱點之一，國內外許多學者對其進行了深入研究，得到了許多研究成果。楊茂奎和任敬心對比了磨削和車削GH4169試件的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)加工表面粗糙度對高溫合金GH4169試件的疲勞性能有顯著影響，隨著加工表面粗糙度增大，試件的疲勞壽命降低。梁軍華和韓俊峰研究發(fā)現(xiàn)切深對粗糙度影響較大，而線速度和每齒進給量的影響較小。ALAUDDIN等使用立銑刀在干式銑削條件下銑削Incone718，并利用RSM建立了預測加工表面粗糙度的回歸模型，結果表明每齒進給量會對加工表面粗糙度造成較大影響，該結果為銑削高溫合金Incone718參數(shù)的選擇與優(yōu)化提供了參考。孫士雷等的研究結果表明銑削速度對加工表面硬化的影響最明顯。

張穎琳和陳五一利用涂層硬質合金刀具對高溫合金GH4169進行了銑削加工實驗研究，結果表明：銑削加工后試件表面形成了殘余壓應力。AKHTAR等的研究結果表明，在中等切削速度條件下，積屑瘤是導致GH4169加工表面粗糙度上升的主要因素。ASPINWALL等指出球頭銑刀的刀具偏角會影響銑削表面的加工硬化，當?shù)毒邇A角為0°時，加工表面發(fā)生硬化，而傾角為45°時，加工表面發(fā)生軟化。多數(shù)研究表明，在銑削加工后，材料表層會產(chǎn)生明顯的組織纖維化變形，且變形方向與進給速度方向一致。CAI等通過研究發(fā)現(xiàn)，在干切削條件下，GH4169材料銑削表面殘余應力均為殘余拉應力。

通過以上研究可以看出，針對球頭刀銑削加工GH4169表面完整性方面的研究成果較少，尤其是針對實際生產(chǎn)常用的中、低速銑削條件。本文作者利用球頭刀對高溫合金GH4169試件進行銑削加工，并對其加工表面完整性指標進行檢測，研究銑削加工參數(shù)對加工表面完整性指標的影響規(guī)律和機制，為提升高溫合金GH4169的加工表面質量和整體葉盤型面、葉片型面的抗疲勞性能提供參考。

1 實驗材料和條件

1.1 實驗材料

實驗材料為高溫合金GH4169，材料主要化學成分、物理性能分別如表1和表2所示，熱處理狀態(tài)為固溶時效。材料基體的硬度為423HV。

表1 高溫合金GH4169的主要化學成分

表2 高溫合金GH4169的物理性能

1.2 實驗設備及實驗過程

所有的銑削加工實驗均在三軸立式加工中心VMC-850E上進行，該立式加工中心的主軸最高轉速為8 000 r/min。加工所使用的刀具是硬質合金球頭銑刀，直徑為8 mm，刃數(shù)為2，螺旋角為45°，刀具長為60 mm，刀具懸長為35 mm。加工中使用水基切削液進行冷卻潤滑。試件的銑削加工方式如圖1所示，球頭刀沿軸正向進給，銑削表面法向和刀具軸線的夾角=75°，徑向切寬=0.2 mm。

圖1 球頭刀銑削加工方式

對加工后的試件，采用Taylor Hobson輪廓儀、HV-1000維氏顯微硬度計、AutoMATE Ⅱ型X射線衍射應力儀、VHX-6000超景深顯微鏡分別對加工表面的粗糙度、表面顯微硬度、加工表面殘余應力和表面微觀形貌進行檢測。

2 實驗結果及分析

采用如表3所示的銑削參數(shù)對試件進行銑削加工，并對試件的表面完整性指標進行測量，結果見表3。

表3 銑削參數(shù)及其表面完整性指標測試結果

2.1 加工表面粗糙度和微觀形貌

由表3可以看出，進給方向上的加工表面粗糙度基本在0.08～0.30 μm之間波動，遠遠小于切寬方向上的粗糙度。很多研究成果表明，在不同的加工工藝條件下，加工表面粗糙度的增大會導致試件疲勞壽命的降低。因此，分析銑削參數(shù)對進給方向上加工表面粗糙度的影響規(guī)律是研究重點。當線速度從20 m/min增至60 m/min時，進給方向表面粗糙度由0.11 μm降低至0.08 μm，變化幅度非常小，可見線速度對進給方向加工表面粗糙度的影響較小。

如圖2所示，當線速度=20 m/min時，隨著每齒進給量從0.04 mm/齒增加到0.09 mm/齒，表面粗糙度由0.13 μm增大至0.30 μm，變化幅度較大。這主要是每齒進給量增大會導致銑削加工區(qū)域殘留材料的高度增加，進而導致試件加工表面的粗糙度增大。

圖2 每齒進給量對表面粗糙度的影響(vc=20 m/min、ap=0.2 mm) 圖3 切深對表面粗糙度的影響(vc=20 m/min、fz=0.04 mm/齒)

如圖3所示，當線速度=20 m/min時，隨著切深從0.1 mm增大到0.5 mm，表面粗糙度由0.11 μm增大到0.25 μm，變化幅度較大。這主要是因為在切深增加時，切削力會隨之增大，加工過程中刀具與試件之間的摩擦、擠壓作用會隨之增強，銑削表面的材料塑性變形程度也會提高，進而影響加工表面粗糙度。

選取5組銑削參數(shù)進行實驗，觀察試件加工表面的微觀形貌，結果如圖4所示?？芍涸谒x取的參數(shù)條件下，線速度和每齒進給量對于加工表面微觀形貌影響不明顯，但是當切深從0.1 mm增加到0.5 mm時，加工表面上的塑性隆起痕跡變得明顯，說明隨著切深的增加，加工表面形成的塑性變形逐漸增強。

圖4 銑削參數(shù)對加工表面微觀形貌的影響

2.2 加工表面顯微硬度

根據(jù)表3中的表面完整性指標得出，在線速度增大過程中，加工表面顯微硬度變化很小。當線速度=20 m/min時，隨著每齒進給量從0.04 mm/齒增加到0.09 mm/齒，表面顯微硬度由474.8HV增加到491.3HV。該結果表明，對于高溫合金GH4169而言，球頭刀銑削加工已經(jīng)起到了加工硬化效果。加工表面顯微硬度增加主要是因為每齒進給量增大的同時，加工過程中的單次切除量增加，刀具與試件加工表面的擠壓明顯增強，加工表面的塑性變形程度增大，進而導致加工表面顯微硬度的增大。當線速度=20 m/min時，隨著切深從0.1 mm增加至0.5 mm，表面顯微硬度從463.4HV增加至535.5HV。這主要是因為隨著切深的增加，材料表面在銑削過程中所經(jīng)受的塑性變形會更激烈，刀具與試件加工表面的擠壓摩擦作用更強，進而導致材料表面顯微硬度增大。

2.3 加工表面殘余應力

由表3可知：在選取的加工參數(shù)條件下，加工表面殘余應力均呈現(xiàn)為殘余拉應力，并且隨著切深的增加，殘余拉應力的數(shù)值出現(xiàn)減小的趨勢；當切深=0.2 mm時，隨著每齒進給量從0.04 mm/齒增加至0.09 mm/齒，殘余拉應力由338.9 MPa減小至318.5 MPa；當每齒進給量=0.04 mm/齒時，隨著切深由0.1 mm增加至0.5 mm，殘余拉應力由328.6 MPa減小至219.3 MPa。

形成以上實驗結果的原因是，銑削力會隨著每齒進給量的增大而增大，同時刀具和試件表面間的擠壓刮擦更加激烈，會使得材料加工表面的塑性變形程度增強，進而導致殘余拉應力呈現(xiàn)出向壓應力轉變的趨勢。對比不同切深時的殘余拉應力，亦是如此，在切深的增加過程中，刀具對試件的擠壓刮擦作用會逐漸增強，進而導致材料的塑性變形程度增大，加工表面殘余應力呈現(xiàn)出拉應力向壓應力轉變的趨勢。

2.4 表面塑性變形

加工表面硬化程度和加工表面塑性變形程度有直接聯(lián)系。針對加工表面顯微硬度差異最大的兩組試件，垂直于銑削線速度方向進行表面組織預測，結果如圖5所示。在實驗參數(shù)為=20 m/min，=0.1 mm，=0.04 mm/齒時，試件的加工表面塑性變形層厚度約為29 μm；當實驗參數(shù)為=20 m/min，=0.5 mm，=0.04 mm/齒時，試件的加工表面塑性變形層厚度約為39 μm。結果表明，隨著切深增加，加工表面塑性變形層厚度明顯增加。切深對加工表面塑性變形層厚度的影響規(guī)律，是加工表面殘余拉應力和加工表面顯微硬度隨切深的增大而減小的主要原因。

圖5 銑削參數(shù)對加工表面塑性變形層的影響

3 結論

(1)在給定的實驗參數(shù)條件下，高溫合金GH4169銑削表面進給方向上的表面粗糙度的范圍為0.08～0.30 μm，遠小于切寬方向上的表面粗糙度；當每齒進給量和切深增加時，加工表面粗糙度會隨之增大，而線速度對表面粗糙度的影響非常小。

(2)實驗參數(shù)對于高溫合金GH4169加工表面的表面顯微硬度有明顯的影響。當切深或者每齒進給量增加時，加工表面顯微硬度會隨之增大。利用球頭刀銑削加工后，高溫合金GH4169的加工表面均呈現(xiàn)出殘余拉應力狀態(tài)，當切深或者每齒進給量增大時，表面殘余拉應力會呈現(xiàn)出向殘余壓應力轉變的趨勢。主要原因是加工表面塑性變形層的厚度會隨著切深和每齒進給量的增大而增加。

(3)結合表面完整性指標及其對試件疲勞壽命的影響規(guī)律和機制，采用球頭刀銑削加工的方式，且進給方向平行于試件承載方向，并在保證加工表面粗糙度和輪廓度精度滿足設計要求的前提下，選取GH4169材料的精加工參數(shù)為銑削線速度=20 m/min，每齒進給量=0.09 mm/齒，切深=0.5 mm時，試件具有較好的抗疲勞性能。