王明海，圖晨華，吳志新，王奔，張靜波

1沈陽航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院；2中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司

1 引言

高溫合金是航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機的關(guān)鍵材料，能在600℃以上的高溫環(huán)境下長期工作并具有良好綜合性能的金屬材料，具有較高強度、良好抗燃氣腐蝕以及抗氧化能力，在高溫高壓環(huán)境下仍具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性。其中，Inconel 718合金是目前產(chǎn)量與用量較大的一類鎳基高溫合金，屬于沉淀硬化型合金，在650℃以下具有良好的抗疲勞性能以及長期的組織穩(wěn)定性[1]，在航空領(lǐng)域中主要用來制造進氣機匣、動力渦輪軸、壓氣機葉片和甩油盤等關(guān)鍵零件[2]。

由于高溫合金具有塑性變形抗力大、殘余應(yīng)力大、導(dǎo)熱性差與加工硬化等特點，導(dǎo)致刀具刃口處負荷較大，切削力與切削溫度較高且刀具磨損十分嚴重。刃口作為刀具直接與工件接觸的部分，其質(zhì)量與鈍圓半徑直接影響工件表面質(zhì)量與加工中產(chǎn)生的切削力和切削溫度。精磨后的刀具刃口處會存在微觀缺陷，對刀具進行適當?shù)剽g化處理可以增大鈍圓半徑，消除細小缺陷，降低切削力與切削溫度，從而延長刀具的使用壽命[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對切削刃的鈍圓半徑進行了研究。賈秀杰等[4]通過單因素切削試驗研究刀具鈍化對切削鈦合金的影響發(fā)現(xiàn)，與未鈍化的刀具相比，刃口鈍圓半徑為20μm時工件表面粗糙度降低，但產(chǎn)生的切削力更大，尤其在Fx與Fz方向比較明顯。宋庭科等[5]通過車削鎳基高溫合金發(fā)現(xiàn)，刀具磨損隨鈍圓半徑的增大而減小。余金川等[6]通過試驗和仿真結(jié)合的方法，研究帶圓角銑刀端銑鎳基高溫合金發(fā)現(xiàn)，刃口鈍圓半徑對進給抗力與切深抗力有較大影響，鈍圓半徑過大會增加工件的彈塑性變形、加工硬化和殘余應(yīng)力。陶亮等[7]通過AdvantEdge軟件，使用五種不同鈍圓半徑刀具對GCr15軸承鋼進行切削仿真發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)主要集中在刀具的刃口附近，且高溫面積隨著刃口鈍圓半徑的增大而變大，鈍圓半徑對切削力影響明顯，主切削力和進給力均隨鈍圓半徑的增加而增大。Berend Denkena等[8]研究刀具材料對硬質(zhì)合金刀具磨損的影響發(fā)現(xiàn)，最佳的切削刃圓角很大程度上取決于刀具材料特性。Bing Liu等[9]使用分子動力學(xué)仿真與試驗的方法研究了鈍圓半徑對單晶硅材料的去除機理，發(fā)現(xiàn)了鈍圓半徑在微切削加工時影響材料的去除形式，隨著鈍圓半徑的減小，其去除形式由剪切變?yōu)閿D壓。馬書娟等[10]使用硬質(zhì)合金銑刀對TC4鈦合金進行端銑試驗發(fā)現(xiàn)，鈍圓半徑對切削力、工件表面粗糙度和刀具的磨損速率均呈非線性關(guān)系，且在切削過程中Fx>Fy>Fz。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對鈍圓半徑對加工性能的影響做出了一定研究，但關(guān)于鈍圓半徑對高溫合金影響的研究還很少。關(guān)于鈍圓半徑的大多數(shù)試驗研究存在許多其他影響因素，導(dǎo)致鈍圓半徑對加工性能的影響不夠明確。本文以Inconel 718高溫合金為研究對象，通過銑刀側(cè)刃對薄壁板件進行銑削加工的側(cè)銑試驗研究鈍圓半徑對切削力與切削溫度的影響，減少了銑刀底刃與圓角對切削產(chǎn)生的影響，對鈍圓半徑的研究更加清晰深入，為合理選擇加工Inconel 718高溫合金時的鈍圓半徑提供依據(jù)。

2 切削試驗設(shè)計

2.1 試驗工件及刀具

試驗工件材料為Inconel 718高溫合金薄壁板件，其尺寸大小為290mm×210mm×2mm。試驗所用刀具為碳化鈷硬質(zhì)合金刀具，其參數(shù)如表1所示。

表1 硬質(zhì)合金刀具參數(shù)

2.2 試驗設(shè)備

刀具刃口的鈍化設(shè)備為YH04刀具鈍化機，鈍化方式為立式旋轉(zhuǎn)鈍化法。銑削設(shè)備為VMC850B立式加工中心。切削力的檢測設(shè)備為Kistler 9257B三向壓電陶瓷測力儀。切削溫度的檢測設(shè)備為FLIR紅外熱像儀。刀具刃口鈍圓半徑的檢測設(shè)備為ZOLLER刀具測量儀。

2.3 試驗方案

為了盡量降低刀具其他參數(shù)對切削加工的影響，增加試驗結(jié)果的可靠性，使用如圖1所示銑刀側(cè)刃銑削薄壁板件，該方法減少了銑刀底刃刃型與底刃圓角對加工產(chǎn)生的影響。銑削方式為順銑，冷卻方式為干切削，根據(jù)實際加工情況，選擇主軸轉(zhuǎn)速為750r/min，每齒進給量為0.1mm/z，切削深度為1mm。

圖1 銑削試驗加工方式

通過YH04刀具鈍化機對刀具進行不同程度的鈍化，對銑刀側(cè)刃上即將參與切削加工的鈍圓半徑進行定位測量(見圖2),測量位置選擇四個刃的同一定位高度，測量后取平均值，其中，未鈍化刀具的鈍圓半徑rβ=3.88μm。

圖2 定位測量鈍圓半徑

3 結(jié)果與討論

3.1 切削力

采用不同鈍圓半徑硬質(zhì)合金刀具對工件進行加工，測得的切削力如圖3所示?？梢钥闯觯趥?cè)銑Inconel 718高溫合金時，切向力Fx始終大于徑向力Fy；隨著鈍圓半徑的增加，切向力Fx與徑向力Fy均先減小后增大。其中，鈍圓半徑rβ=5.98μm時，切向力Fx與徑向力Fy達到最小值；鈍圓半徑rβ=3.88μm，即刀具未鈍化時，切向力Fx最大。

鈍圓半徑由3.88μm增至5.98μm過程中，切向力Fx與徑向力Fy整體呈下降趨勢。從圖4可知，未鈍化的刀具刃口存在微觀缺陷，經(jīng)鈍化處理后，鈍圓半徑變大的同時刀具刃口處的刃磨質(zhì)量得到改善，從而使摩擦系數(shù)變小，切削力減小。在鈍化作用下，刀具刃口處的微觀缺陷減少，但隨著鈍化程度增加，刀具鈍圓半徑逐漸增大，刀具刃口逐漸變鈍。

圖3 鈍圓半徑對Fx與Fy的影響

(a)未鈍化刀具刃口形貌

鈍圓半徑由5.98μm增至10.18μm過程中，切向力Fx與徑向力Fy整體呈上升趨勢。刀具前角和后角屬于宏觀幾何參數(shù)，而刃口處的鈍圓半徑及有效前角和有效后角屬于微觀幾何參數(shù)。由于銑削加工是斷續(xù)切削過程，刀具刃口在工件表面不斷地切入并切出，導(dǎo)致刀具的微觀幾何參數(shù)對切削性能產(chǎn)生顯著影響。由圖5可以看出，在刀具宏觀幾何參數(shù)不發(fā)生改變的條件下，鈍圓半徑由rβ1增至rβ2時，刃口處的有效前角由γ1減至γ2。鈍圓半徑的增加會使刀具的有效前角減小，從而導(dǎo)致剪切角變小，變形系數(shù)增大，進而增大切削力[11]；變形效應(yīng)與切削刃和工件的接觸面積有關(guān)系，鈍圓半徑增加，刃區(qū)與工件的接觸面積變大，切削變形增大，從而增大切削力[12]。從圖3可以看出，為獲得最小的切削力，鈍圓半徑應(yīng)在5.45～5.98μm范圍內(nèi)選取。

3.2 切削溫度

使用不同鈍圓半徑的刀具對Inconel 718高溫合金進行側(cè)銑，產(chǎn)生的切削溫度如圖6所示?？梢钥闯?，隨著鈍圓半徑的增加，切削溫度T先降低再升高然后趨于平緩。鈍圓半徑rβ=3.88μm時切削溫度T最高，rβ=5.98μm時切削溫度T達到最低。

圖5 鈍圓半徑對有效前角的影響

鈍圓半徑由3.88μm增至5.98μm過程中，切削溫度T整體呈下降趨勢。這是因為鈍圓半徑rβ=3.88μm時，刀具未經(jīng)過鈍化處理，刃口存在微觀缺陷導(dǎo)致其產(chǎn)生的切削力很大，刀具為克服切削力消耗的能量轉(zhuǎn)化為大量的切削熱，從而產(chǎn)生很高的切削溫度；隨著鈍圓半徑增大到rβ=5.98μm，刃口形貌被改善，切削力逐漸減小，從而導(dǎo)致切削溫度逐漸降低。

圖6 鈍圓半徑對切削溫度T的影響

在鈍圓半徑由5.98μm增至7.35μm的過程中，切削溫度T整體呈上升趨勢。這是由于刀具刃區(qū)微觀形貌被改善后，隨著鈍圓半徑增大，加工中所產(chǎn)生的切削力增大，切削溫度升高；如圖7所示，鈍圓半徑由rβ1增至rβ2時，刃口處的有效后角由α1減至α2。增加鈍圓半徑會減小刃口的有效后角，導(dǎo)致刃區(qū)的后刀面與工件的接觸面積變大，摩擦增加，切削熱增加，從而使溫度升高。而鈍圓半徑增大，刀具變鈍，刀具刃口對工件的擠壓變大，工件的塑性變形做功增加，導(dǎo)致切削熱不斷上升，切削溫度升高[13]。

當鈍圓半徑達到7.35μm后，隨著鈍圓半徑的增大，切削溫度T趨于平緩。這是因為隨著鈍圓半徑逐漸變大，刀具與工件和切屑的接觸面積不斷變大，不僅增加了刀具與工件之間的摩擦，提升了切削熱，同時也增加了刀具的散熱面積，提升了刀具的散熱性能，降低了切削溫度[6，14]，但切削溫度由加工中的切削熱與刀具散熱能力共同決定[7，13]，所以鈍圓半徑在7.35～10.18μm時切削溫度趨于穩(wěn)定。從圖6可以看出，為獲得最低的切削溫度，鈍圓半徑應(yīng)在5.75～5.98μm范圍內(nèi)選取。

圖7 鈍圓半徑對有效后角的影響

4 結(jié)語

以Inconel 718高溫合金為研究對象，通過銑削試驗對鈍圓半徑進行研究，得出以下結(jié)論。

(1)銑削Inconel 718高溫合金時，隨著鈍圓半徑的增大，加工中產(chǎn)生的切向力與徑向力均先減小后增大，在鈍圓半徑為5.98μm時達到最低。這是因為不同的鈍圓半徑導(dǎo)致刀具的有效前角不同，從而使切削變形與切削力變化。

(2)隨著鈍圓半徑的增加，切削溫度先降低后升高，然后趨于平緩，且鈍圓半徑為5.98μm時，切削溫度最低。這是由于鈍圓半徑影響加工中產(chǎn)生的切削熱與刀具的散熱能力，從而影響切削溫度。

(3)在銑削高溫合金時應(yīng)選擇鈍圓半徑范圍為5.75～5.98μm的銑刀以獲得較小的切削力和切削溫度。