勾睿杰 張曉峰 張鴻濱 姚 俊 李 勛

1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京,100191 2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京,100190 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)航空宇航學(xué)院,北京,100190

0 引言

Inconel 718是航空領(lǐng)域內(nèi)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的典型鎳基高溫合金。當(dāng)溫度超過(guò)650 ℃時(shí),合金中的主要強(qiáng)化相γ″將會(huì)快速發(fā)生過(guò)時(shí)效,轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的δ相,導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降[1],在更高溫度的工作環(huán)境中,應(yīng)用Inconel 718合金的局限性開(kāi)始增大[2]。為了滿(mǎn)足航空航天工業(yè)零部件工作溫度不斷提高的要求,CAO等[3]對(duì)Inconel 718合金的化學(xué)成分進(jìn)行了改進(jìn),研發(fā)了Allvac 718Plus合金,該合金能夠在704 ℃下保持良好的力學(xué)性能,與Inconel 718相比具有更好的熱穩(wěn)定性。目前,Allvac 718Plus合金已被逐步應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、葉片等關(guān)鍵部件。

大量研究結(jié)果表明,改善表面加工質(zhì)量能夠有效地提高構(gòu)件的性能和服役壽命[4-6]。作為加工制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)等航空零部件的重要潛在材料,高溫合金Allvac 718Plus具有良好的高溫機(jī)械性能,與Inconel 718合金相比,Allvac 718Plus合金的耐高溫性能更好,抗拉強(qiáng)度更高,但切削加工性能更差,刀具磨損速度也將加快。而隨著刀具的磨損,零件的表面加工質(zhì)量和一致性會(huì)受到顯著影響[7-9],因此,研究銑削刀具磨損對(duì)高溫合金Allvac 718Plus表面完整性以及疲勞壽命的影響具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前,國(guó)內(nèi)外在高溫合金的切削加工表面完整性以及刀具磨損對(duì)加工性能的影響方面已開(kāi)展了大量研究。THAKUR等[10]應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具對(duì)Inconel 718合金銑削加工表面完整性影響規(guī)律進(jìn)行了研究,分析了加工參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響。LI等[11]詳細(xì)研究了加工參數(shù)、刀具及冷卻條件等對(duì)Inconel 718合金銑削加工表面完整性的影響,觀測(cè)了刀具磨損的三個(gè)不同階段,并分析了刀具的主要磨損類(lèi)型。ALTIN等[12]研究了不同形狀的陶瓷刀具切削加工Inconel 718合金時(shí)的磨損形態(tài),并分析了切削速度對(duì)刀具壽命的影響。MUSFIRAH等[13]對(duì)比了低溫冷卻和干式切削對(duì)Inconel 718合金銑削加工表面完整性及刀具磨損的影響,結(jié)果表明低溫冷卻可以有效改善表面加工質(zhì)量,延長(zhǎng)刀具壽命。LIANG等[14]總結(jié)了刀具磨損對(duì)Inconel 718合金切削加工表面完整性的影響規(guī)律。

相關(guān)研究表明[15-16],使用硬質(zhì)合金刀具銑削加工高溫合金過(guò)程中,刀具磨損機(jī)理主要是黏結(jié)磨損、磨粒磨損,同時(shí)有少量的擴(kuò)散磨損和氧化磨損,相應(yīng)會(huì)造成刀具切削部位有崩刃、裂紋以及剝落的現(xiàn)象產(chǎn)生,一般在刀具后刀面磨損量達(dá)到0.3 mm時(shí),刀具壽命就達(dá)到了極限[13]。刀具磨損大多被認(rèn)為會(huì)使加工表面粗糙度增大,同時(shí)會(huì)加劇表面硬化程度,增大加工表面殘余應(yīng)力,刀具磨損量過(guò)大時(shí)還會(huì)使加工表面產(chǎn)生裂紋等缺陷[17-18]。

現(xiàn)階段針關(guān)于Allvac 718Plus高溫合金的研究大多是針對(duì)材料的機(jī)械性能及其熱穩(wěn)定性開(kāi)展的[19-20],有關(guān)材料機(jī)械加工性能和表面質(zhì)量方面的研究報(bào)道較少,加工工藝和條件的選擇只能參考Inconel 718等類(lèi)似的鎳基合金。

本文主要研究刀具磨損對(duì)Allvac 718Plus高溫合金銑削加工表面完整性與疲勞壽命的影響,測(cè)量了不同加工參數(shù)下刀具的使用壽命,基于銑削刀具后刀面不同的磨損量進(jìn)行了表面完整性與疲勞試驗(yàn),分析了刀具磨損量對(duì)試件加工表面完整性指標(biāo)與疲勞壽命的影響,并得到了高溫合金Allvac 718Plus銑削加工刀具磨損量的控制標(biāo)準(zhǔn),可為其抗疲勞加工制造提供重要參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料為高溫合金Allvac 718Plus,該材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 Allvac 718Plus合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of Allvac 718Plus alloy(mass fraction) %

表2 Allvac 718Plus合金力學(xué)性能Tab.2 Mechanics properties of Allvac 718Plus alloy

1.1 加工設(shè)備及方案

銑削加工設(shè)備為四軸數(shù)控加工中心,采用巴索Blaser全合成冷卻液。試驗(yàn)刀具使用株洲鉆石硬質(zhì)合金涂層立銑刀(HMX-4R),刀具具體參數(shù)如下:直徑8 mm,刀尖圓弧半徑0.5 mm,螺旋角55°,刃長(zhǎng)25 mm,總長(zhǎng)75 mm,刀刃數(shù)為4,涂層材料為AlTiN。

試驗(yàn)采用側(cè)銑、順銑方式對(duì)試塊(尺寸為35 mm×8 mm×5 mm)與疲勞試件進(jìn)行加工,如圖1所示,后續(xù)試驗(yàn)加工均采用相同加工條件。

圖1 刀具及試塊銑削加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of milling tool and specimens

1.2 刀具磨損測(cè)量方案

采用Dino-Lite手持式數(shù)碼顯微鏡作為刀具磨損量的測(cè)量設(shè)備,放大倍數(shù)設(shè)定為150倍。進(jìn)行表面完整性與疲勞壽命試驗(yàn)前,在固定軸向切深ap(取ap=4 mm)、徑向切寬ae(取ae=1 mm)的條件下,測(cè)試了不同切削速度vs和進(jìn)給速度vf下刀具后刀面平均磨損量達(dá)到臨界值時(shí)的時(shí)間(刀具壽命),結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同參數(shù)下刀具壽命曲線Fig.2 Tool life curve under different parameters

不同切削參數(shù)下,銑削刀具磨損曲線均可以觀察到明顯的初期磨損階段(后刀面磨損量VB<0.05 mm)、正常磨損階段(VB為0.05～0.20 mm)以及劇烈磨損階段(VB為0.2～0.3 mm)。刀具的磨損速度會(huì)隨著切削速度vs和進(jìn)給速度vf的增大而增大,導(dǎo)致刀具壽命縮短,但vs和vf的增大會(huì)提高材料的加工效率。

采用手持顯微鏡對(duì)銑刀的后刀面磨損進(jìn)行觀察,如圖3所示,當(dāng)?shù)毒吆蟮睹嫫骄p量達(dá)到0.2 mm時(shí),刀具磨損帶已極不均勻,有出現(xiàn)輕微的崩刃現(xiàn)象,同時(shí)結(jié)合刀具壽命曲線可以發(fā)現(xiàn),刀具壽命95%以上集中在磨損量VB<0.2 mm的區(qū)間,在0.2～0.3 mm的區(qū)間內(nèi),刀具急速磨損,因此,為保證試件表面加工質(zhì)量,在進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)時(shí),刀具磨損量VB都控制在0～0.2 mm范圍內(nèi)。

(a)VB=0.05 mm (b)VB=0.10 mm

2 基于刀具磨損的銑削表面完整性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)加工方案

分別采用不同磨損狀態(tài)下的刀具(后刀面磨損量VB分別為0.05,0.10,0.15,0.20 mm)對(duì)試件進(jìn)行銑削加工。根據(jù)銑削參數(shù)對(duì)刀具磨損量的影響規(guī)律和Allvac 718Plus典型整體葉盤(pán)零件的精加工需求,采用加工參數(shù)vs=25 m/min、vf=120 mm/min、ae=0.3 mm、ap=0.2 mm對(duì)試塊及疲勞試件進(jìn)行精加工,研究刀具后刀面磨損量對(duì)試件表面完整性指標(biāo)以及疲勞性能的影響規(guī)律。

2.2 表面完整性指標(biāo)測(cè)試方案

采用TIME-3220接觸式粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)銑削表面進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量參數(shù)設(shè)定為:取樣長(zhǎng)度0.8 mm,測(cè)量長(zhǎng)度5.6 mm,評(píng)定長(zhǎng)度4 mm。表面粗糙度測(cè)量的方向?yàn)槠叫杏阢娤骷庸みM(jìn)給方向,實(shí)際測(cè)量時(shí)取粗糙度值Ra和Rz,10次測(cè)量后取平均值并作為最終結(jié)果;表面微觀形貌使用基恩士VHX-6000超景深顯微鏡進(jìn)行觀察;表面顯微硬度使用維氏顯微硬度計(jì)FM-800測(cè)量,測(cè)量參數(shù)為:加載載荷1.96 N(200 g),載荷保持10 s;表面殘余應(yīng)力采用Auto MATE II型X射線應(yīng)力儀進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 表面完整性試驗(yàn)結(jié)果及分析

刀具磨損條件下銑削試件的各項(xiàng)表面完整性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表3所示,結(jié)合測(cè)試結(jié)果對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行分析。

表3 表面完整性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Surface integrity test results

2.3.1表面粗糙度

加工表面粗糙度隨刀具磨損量的變化規(guī)律如圖4所示,可以看出,在刀具后刀面磨損量VB值達(dá)到0.1 mm之前,試件加工表面粗糙度沒(méi)有發(fā)生明顯變化,Ra值保持在0.15 μm左右,Rz值保持在0.7 μm左右,當(dāng)VB值達(dá)到0.15～0.20 mm時(shí),表面粗糙度值Ra和Rz均有明顯增大,分別達(dá)到了0.228 μm和1.198 μm,隨著刀具磨損量的增加,二者整體均呈現(xiàn)出先略微減小后增大的趨勢(shì)。

圖4 刀具磨損對(duì)表面粗糙度的影響Fig.4 Influence of tool wear on surface roughness

使用超景深顯微鏡觀測(cè)試件加工表面形貌,如圖5所示,以進(jìn)一步分析刀具磨損量變化對(duì)加工表面粗糙度的影響。由圖5可以看出,在刀具正常磨損階段(VB為0.10～0.15 mm),表面粗糙度較小,加工表面整體較為平整,僅在個(gè)別位置出現(xiàn)細(xì)小毛刺與溝槽;VB值增大至0.2 mm后,加工表面與刀具后刀面的接觸面積增大,兩者間的擠壓、刮擦作用增強(qiáng),加工表面溝槽加深,毛刺增多,表面粗糙度也明顯增大。

(a)VB=0.10 mm (b)VB=0.20 mm圖5 不同磨損量刀具加工后的試件表面形貌Fig.5 Surface morphology of specimens machined by tools with different wear amounts

2.3.2表面顯微硬度

刀具磨損量對(duì)加工表面顯微硬度的影響如圖6所示,可以看出,隨著磨損量的增大,表面顯微硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),刀具磨損量VB為0.15 mm時(shí),表面顯微硬度達(dá)到最大值528.26HV。當(dāng)?shù)毒吣p量增大時(shí),刀刃逐漸喪失鋒利的幾何外形,刀尖鈍圓半徑也將增大,加工表面與刀具間的擠壓作用不斷增強(qiáng),加劇了表面層塑性變形程度,產(chǎn)生了表面強(qiáng)化現(xiàn)象,提高了表面顯微硬度。但另一方面,刀具磨損量的增加也將導(dǎo)致刀具、工件和切屑間的摩擦更加劇烈,切削溫度升高會(huì)使材料表面發(fā)生軟化。在刀具正常磨損階段(VB為0～0.15 mm),機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的表面強(qiáng)化作用較強(qiáng),從而提高了試件表面顯微硬度;而在刀具磨損量高于0.15 mm時(shí),機(jī)械效應(yīng)的強(qiáng)化作用不斷減弱,熱效應(yīng)的軟化作用不斷增強(qiáng),表面顯微硬度逐漸下降。

圖6 刀具磨損對(duì)表面顯微硬度和表面硬化率的影響Fig.6 Effect of tool wear on surface microhardness and surface hardening rate

由圖6還可知,銑削加工后Allvac 718Plus合金表面硬化率為10.62%～15.55%;對(duì)比銑削加工高溫合金Inconel 718的試驗(yàn)結(jié)果,在近似的加工參數(shù)下,試件表面硬化率為13.3%～24.0%[21]。上述兩種材料在室溫下的基體硬度基本相同,但Allvac 718Plus合金的加工硬化程度相對(duì)較小。

2.3.3表面殘余應(yīng)力

刀具磨損量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響如圖7所示,可以看出,當(dāng)?shù)毒吣p量VB值由0增大至0.2 mm時(shí),表面殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力,殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。刀具磨損量為0.05 mm時(shí),殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值259.5 MPa,刀具磨損量為0.2 mm時(shí),殘余應(yīng)力近乎為零,并有向殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖7 刀具磨損量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響Fig.7 Influence of tool wear on surface residual stress

與表面顯微硬度的變化規(guī)律類(lèi)似,熱效應(yīng)使材料表面軟化,進(jìn)而減小殘余壓應(yīng)力,機(jī)械效應(yīng)則與之相反。刀具磨損量增大時(shí),熱效應(yīng)的增強(qiáng)趨勢(shì)逐漸超過(guò)機(jī)械效應(yīng)的增強(qiáng)趨勢(shì),因此試件表面殘余壓應(yīng)力會(huì)先增大后減小。

本文中,Allvac 718Plus合金經(jīng)銑削加工后的殘余壓應(yīng)力水平為5.6～259.5 MPa;而在相近參數(shù)下Inconel 718合金銑削加工后的殘余壓應(yīng)力水平為106.8～307.8 MPa[21]。這說(shuō)明與Inconel 718合金相比,Allvac 718Plus合金銑削加工后的塑性變形程度較小。

3 銑削試件疲勞性能測(cè)試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)銑削加工方案

銑削加工設(shè)備及刀具與表面完整性試驗(yàn)保持一致,分別采用不同后刀面磨損量的銑刀加工疲勞試件,磨損量的梯度設(shè)置不變。參考抗疲勞設(shè)計(jì)手冊(cè)以及航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)疲勞試件為類(lèi)圓棒試件(截面為正六十邊形),如圖8所示(圖中試件截面為簡(jiǎn)化圖),正六十邊形鄰邊夾角為174°,趨近于圓形,減小了加工邊緣毛刺和棱邊應(yīng)力集中對(duì)試件疲勞性能產(chǎn)生的額外影響[22-23],從而可提高試驗(yàn)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖8 疲勞試件的銑削工藝方案Fig.8 Milling technology scheme of fatigue specimens

3.2 疲勞試驗(yàn)設(shè)備與方案

疲勞壽命試驗(yàn)設(shè)備選用型號(hào)為GPS-100型高頻數(shù)字化拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī),如圖9所示,設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 疲勞試驗(yàn)機(jī)工作參數(shù)Tab..4 Working parameters of fatigue testing machine

試驗(yàn)研究Allvac 718Plus材料室溫下的疲勞性能,疲勞試件測(cè)試區(qū)直徑為4 mm,疲勞載荷加載數(shù)據(jù)設(shè)定為:最大應(yīng)力σmax= 1060 MPa,應(yīng)力比r=0.1,載荷頻率f=115±1 Hz。試驗(yàn)過(guò)程中為保證結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性,每組參數(shù)均進(jìn)行5次疲勞壽命測(cè)試試驗(yàn),取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

刀具磨損量對(duì)試件疲勞壽命的影響如圖10所示,隨著刀具磨損量的增大,疲勞壽命呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

圖10 刀具磨損對(duì)試件疲勞壽命的影響Fig.10 Influence of tool wear on fatigue life of specimens

結(jié)合圖4、圖6、圖7和圖10可知,刀具磨損量VB由0增大到0.05 mm時(shí),試件疲勞壽命由3.62×105上升至4.8×105,這個(gè)過(guò)程中伴隨著表面粗糙度減小、表面顯微硬度提高和表面殘余壓應(yīng)力增大,這三項(xiàng)表面完整性指標(biāo)的變化對(duì)延長(zhǎng)試件疲勞壽命均具有積極的影響;當(dāng)?shù)毒吣p量由0.05 mm增大至0.1 mm時(shí),試件表面完整性指標(biāo)與疲勞壽命沒(méi)有明顯變化;當(dāng)?shù)毒吣p量由0.1 mm增大至0.15 mm時(shí),表面粗糙度略微增大,表面顯微硬度達(dá)到最大值528.26HV,表面殘余壓應(yīng)力由259.5 MPa急劇下降至90 MPa,而疲勞壽命也由4.8×105急劇下降至2.73×105,由此可見(jiàn),在刀具磨損的狀態(tài)下,表面殘余應(yīng)力是影響試件疲勞壽命的主要因素。當(dāng)?shù)毒吣p量達(dá)到0.2 mm時(shí),試件疲勞壽命下降至1.48×105,與刀具未磨損狀態(tài)下的試件疲勞壽命相比,下降幅度超過(guò)了50%。

4 結(jié)論

本文研究了刀具磨損對(duì)Allvac 718Plus高溫合金加工表面完整性及疲勞壽命的影響,為研究Allvac 718Plus合金切削加工性能、控制精銑加工時(shí)的刀具磨損量提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考,并得到以下結(jié)論:

(1)Allvac 718Plus高溫合金對(duì)刀具的磨損較為敏感,當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p量為0.2 mm時(shí),刀具就達(dá)到急劇磨損狀態(tài)。與高溫合金Inconel 718相比,由于Allvac 718Plus合金高溫下的熱穩(wěn)定性更強(qiáng),在加工過(guò)程中材料受切削熱的影響較小,因此Allvac 718Plus試件加工后表面硬化程度更小,殘余壓應(yīng)力水平更低,表面層的塑性變形程度也相對(duì)較小。

(2)當(dāng)?shù)毒吣p量在0～0.15 mm時(shí),隨著刀具磨損量的增加,試件表面粗糙度先減小后增大,表面顯微硬度先增大后減小,加工表面殘余壓應(yīng)力先增大后減小,當(dāng)?shù)毒吣p量超過(guò)0.15 mm時(shí),試件表面完整性各項(xiàng)指標(biāo)均發(fā)生了急劇變化,加工表面質(zhì)量大幅降低。

(3)當(dāng)?shù)毒吣p量在0.05～0.10 mm范圍時(shí),試件的疲勞壽命最長(zhǎng);當(dāng)?shù)毒吣p量為0和0.15 mm時(shí),試件的疲勞壽命分別大約降低至最大值的75%和57%;當(dāng)?shù)毒吣p量超過(guò)0.15 mm時(shí),試件疲勞壽命急劇降低。且試件疲勞壽命隨刀具磨損量的變化規(guī)律與加工表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律一致,說(shuō)明在此范圍內(nèi),加工表面殘余應(yīng)力是影響試件疲勞壽命的主導(dǎo)因素。

(4)在刀具正常磨損階段,刀具的磨損加劇了Allvac 718Plus試件加工表面的塑性變形,增大了加工表面殘余應(yīng)力,進(jìn)而對(duì)延長(zhǎng)試件的疲勞壽命具有積極影響。在Allvac 718Plus試件的精銑階段,為保證試件的加工表面質(zhì)量和疲勞壽命,應(yīng)將刀具的后刀面磨損值控制在0.15 mm以?xún)?nèi)。