周俊，舒林森，2

1陜西理工大學機械工程學院；2陜西省工業(yè)自動化重點實驗室

1 引言

鎳基激光熔覆合金材料具有高強度、耐腐蝕和疲勞性能優(yōu)等特點，近年來被廣泛應用于汽車制造、煤礦開采及石油化工等領域[1]。然而，金屬零件經(jīng)過激光熔覆后表面粗糙度和幾何精度較低，必須通過機械加工才能滿足使用要求。高速銑削加工具有加工效率高、銑削力低、加工幾何精度和表面質量高等特點[2-4]。目前，國內外學者對激光熔覆成形零件銑削加工工藝方法的研究相對較少，嚴重影響了激光熔覆技術的發(fā)展。

近年來，激光熔覆技術在各領域中的應用愈加廣泛，因此，國內外學者針對激光熔覆形成的高溫合金涂層開展了機械加工方面的研究。王濤等[5]研究了激光熔覆TC4鈦合金加工軌跡對表面形貌的影響，結果表明，銑削加工路徑與激光掃描軌跡方向垂直時，銑削表面形貌較好。Nespor D.等[6]研究了銑削加工工藝參數(shù)對激光熔覆TC4鈦合金表面粗糙度的影響。Huang Peng等[7]研究了不同冷卻方式對激光熔覆鈦合金切削加工性能的影響。張立峰等[8]對激光熔覆Ti-6Al-4V高速銑削的切削力進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)銑削參數(shù)中的每齒進給量和銑削深度對切削力影響最顯著。白海清等[9]研究分析了小直徑麻花鉆的鉆頭直徑以及鉆削參數(shù)對304不銹鋼熔覆件鉆削性能的影響規(guī)律。Zhao Y.等[10，11]分析了激光熔覆層端銑削和側銑削時的切屑形貌和加工振動。

激光熔覆增材制造鎳基合金高速銑削參數(shù)對表面質量的影響鮮有報道。因此，本文對鎳基激光熔覆合金高速銑削表面粗糙度和殘余應力進行分析，探究主軸轉速、每齒進給量和銑削深度對表面質量的影響規(guī)律，為激光熔覆合金高速銑削過程中的參數(shù)優(yōu)化和表面質量控制提供試驗依據(jù)。

2 實驗原理及方案

2.1 鎳60激光熔覆試樣制備

實驗所用的熔覆基材為Q690，尺寸為100mm×80mm×30mm。熔覆前對試件進行預處理，去除表面油污和氧化層等雜質，再用丙酮將試件清洗干凈并干燥。熔覆粉末為Ni60合金粉末，化學成分如表1所示。熔覆方式采用環(huán)形同軸同步送粉。試驗前對粉末進行烘干處理，防止粉末相互黏結，影響最終成形質量。

表1 Ni60合金粉末化學成分 (wt.%)

在激光熔覆成形試件制備中保護氣體采用99.99%純度的工業(yè)氬氣。熔覆工藝參數(shù)為激光功率2400W，掃描速度24mm/s，送粉速度1.8r/min，離焦量0mm，搭接率50%，弓字型掃描路徑，逐層堆積制備3塊40mm×30mm×3.5mm的鎳基合金激光熔覆涂層，熔覆成形系統(tǒng)如圖1所示。鎳基合金熔覆層成形表面質量較好，各熔覆層、相鄰熔覆道之間搭接緊密，熔覆層與基材結合緊密。由于激光熔覆試件表面粗糙，因此在銑削試驗前對試件進行粗銑基面，使其表面光滑平整。粗銑表面后的銑削實驗試件如圖2所示。

圖1 激光熔覆成形系統(tǒng)

圖2 粗銑后的實驗試件

2.2 銑削加工實驗系統(tǒng)及方案設計

銑削實驗設備是德瑪吉DMU50五軸加工中心，該機床主軸最高轉速14000r/min，主軸驅動功率為23kW。銑削刀具選用瓦爾特直徑8mm的直柄整體硬質合金四齒立銑刀，為減少加工過程中切削熱及冷卻液對表面質量及加工性能的影響，采用順銑干切削方式進行實驗。銑削實驗系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 銑削實驗系統(tǒng)

采用單因素實驗法研究切削深度、進給量和主軸轉速對表面質量的影響。為了提高加工表面質量，綜合考慮機床和刀具性能，選取如表2所示的實驗參數(shù)。

2.3 表面檢測方案

本次實驗工件表面粗糙度采用接觸式粗糙度測量儀進行檢測，銑削加工試樣平面時，受銑刀切入切出以及邊緣處斷續(xù)切削的影響，平面各處的銑削表面質量并不相同，故在整個銑削平面內隨機選取5個點測定表面粗糙度值，并求出平均值用以繪制粗糙度變化曲線。殘余應力采用DST.17高分辨應力分析儀進行測量分析，將銑削加工后的工件冷卻至室溫并放入超聲波清洗機中清洗，每組實驗隨機選取3處進行測量并求取平均值。

表2 銑削實驗參數(shù)

3 實驗結果及分析

3.1 切削用量對表面粗糙度的影響

表面粗糙度會影響工件的耐磨性，而切削用量是影響表面粗糙度的主要因素。圖4為切削用量對表面粗糙度的影響規(guī)律，其中，圖4a是主軸轉速S=8500r/min，進給量F=1800mm/min條件下粗糙度Ra隨銑削深度ap的變化曲線?？梢钥闯?，隨著切削深度的增大，表面粗糙度值也在增大，這是由于切削深度增大，單位時間內材料去除率升高，導致切削力增大，工件表面殘留高度增加，從而使得已加工表面粗糙度值隨之增大。

圖4b是主軸轉速S=8500r/min，銑削深度ap=0.05mm條件下粗糙度Ra隨進給量F的變化曲線?？梢钥闯?，表面粗糙度隨進給量的增大而增大，當進給量小于1500mm/min時，表面粗糙度值變化不顯著；當進給量繼續(xù)增大時，表面粗糙度值由0.259μm增大至0.318μm，變化幅度明顯。說明進給量較小時表面粗糙度值較小，表面質量較好；當進給量增大到一定程度時對表面粗糙度值影響較大；進給量增大導致銑削力也增大，銑削過程中刀具的振動隨之增大，因而表面粗糙度隨著進給量的增大而增大。

(a)銑削深度

(b)進給量

(c)主軸轉速

圖4c是進給量F=1800mm/min，銑削深度ap=0.15mm條件下表面粗糙度Ra隨主軸轉速S的變化曲線?？梢钥闯?，表面粗糙度隨著主軸轉速的增大而減??；在實驗參數(shù)范圍內，當主軸轉速為9600r/min時，此時銑削速度達到最大(301m/min)，表面粗糙度值最小(0.1636μm)。這是因為主軸轉速較低時，容易產(chǎn)生積屑瘤，導致工件已加工表面的粗糙度值較大；當切削速度較高時，則能較好地抑制鱗刺與積屑瘤，從而降低已加工表面的粗糙度值。

3.2 切削用量對殘余應力的影響

圖5a為不同銑削深度對表面殘余應力的影響曲線。當銑削深度由0.1mm增加至0.26mm時，殘余應力值具有波動性，當銑削深度繼續(xù)增大時，殘余應力具有單調增大的趨勢。這是因為隨著銑削深度的增大銑削力變大，導致銑削溫度升高，較多熱量傳遞到工件表面，引起表面殘余壓應力的增大。

(a)銑削深度

(b)進給量

(c)主軸轉速

圖5b為不同進給量對表面殘余應力的影響曲線。進給量對表面殘余應力的敏感性較高，當進給量在700～1500mm/min變化時，殘余應力值波動較大；當進給量繼續(xù)增大至2300mm/min時，殘余應力呈增大趨勢。這是由于隨著進給量增加，已加工面內層材料產(chǎn)生壓縮變形，隨著銑削繼續(xù)，內層產(chǎn)生的力受到表層材料的制約，從而導致殘余應力的波動變化；當每齒進給量繼續(xù)增加時，已加工表面受到刀具和切屑的擠壓和摩擦作用不斷增強，使得殘余應力也隨之變大。

圖5c為不同主軸轉速對表面殘余應力的影響曲線?？梢钥闯?，主軸轉速對表面殘余應力的敏感性較低，在主軸轉速由8000r/min增加至8600r/min時，其表面殘余應力曲線呈現(xiàn)出直線上升的趨勢；而主軸轉速在8600～9600r/min時，表面殘余應力值表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，且始終圍繞著600MPa上下波動。這是因為在銑削加工過程中銑削變形力相對穩(wěn)定，導致刀具與切屑對加工表面的摩擦力比較穩(wěn)定，進而使得主軸轉速對表面殘余應力的影響較小。

4 結語

(1)本文采用單因素實驗法對鎳基熔覆合金進行了平面銑削試驗，研究了銑削用量(銑削深度、進給量及主軸轉速)對銑削表面質量的影響，得到了表面粗糙度和殘余應力的變化規(guī)律，對鎳基熔覆合金銑削加工表面質量的控制具有一定借鑒意義。

(2)高速銑削鎳基熔覆合金時，表面粗糙度隨著切削深度和進給量的增大而增大，隨著主軸轉速的增大而減小。因此，要提高加工表面粗糙度需要選擇較高的主軸轉速和兼顧銑削效率的銑削深度和進給量。

(3)高速銑削鎳基熔覆合金時，表面殘余應力對銑削深度和進給量較為敏感，而對主軸轉速的敏感性較低。殘余應力隨銑削深度和進給量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢；主軸轉速對表面殘余應力值影響較小，在實驗參數(shù)范圍內其值始終圍繞著600MPa上下波動。