鈷基高溫合金在730~1100℃條件下具有一定的高溫強(qiáng)度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。在工業(yè)應(yīng)用中，鈷基高溫合金主要用于制作航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)葉以及柴油機(jī)噴嘴等。由于高溫合金具有較好的熱硬性，在切削過程中始終保持著相當(dāng)高的強(qiáng)度，加工硬化速度較快，使刀具表面產(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕，容易在切削過程中出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。另外，合金中含有的金屬元素同時(shí)也是機(jī)械加工所用刀具（如硬質(zhì)合金）中含有的元素，導(dǎo)致刀具材料元素跟工件材料元素間產(chǎn)生物理、化學(xué)作用，使得刀具上不斷出現(xiàn)冷焊、粘結(jié)、剝落過程，并造成刀具后刀面的剝落而導(dǎo)致刀具失效[1]。因此，對(duì)鈷基高溫合金的加工一直是制造領(lǐng)域的難題之一。
高速切削不僅大大減少了切削時(shí)間，切削效率也得到大幅度提高，與傳統(tǒng)切削加工相比具有顯著的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：能獲得較高的加工精度和表面完整性；能使加工耗能低、節(jié)省制造資源；擴(kuò)大加工對(duì)象種類等[2]。本研究試圖通過對(duì)gh188進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，研究高速銑削鈷基高溫合金gh188時(shí)加工用量與銑削力、刀具磨損和刀具耐用度之間的關(guān)系與變化規(guī)律。
試驗(yàn)材料與試驗(yàn)條件
1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為gh188，材料的主要化學(xué)成分見表1，物理力學(xué)性能見表2。
2試驗(yàn)條件
試件尺寸：300mm×100mm×40mm。
機(jī)床：mikronucp710五坐標(biāo)加工中心。技術(shù)參數(shù)：轉(zhuǎn)速100~18000r/min；功率16kw；zui大工作進(jìn)給速度20m/min；快速進(jìn)給速度30m/min；行程（x/y/z）710mm/550mm/500mm。
刀具：本試驗(yàn)采用seco硬質(zhì)合金刀具，刀具直徑為25mm，齒數(shù)為1，刀柄型號(hào)為r217.69-2525.3-12-3a，刀片型號(hào)為xoex120408r-m07,f40m，涂層材料為pvdtialn+tin，前角為20°，后角為14°。
測(cè)力裝置：采用kistler9265b動(dòng)態(tài)測(cè)力儀，與之配套的放大器為kistler5019電荷放大器。kistler9265b測(cè)力儀采用壓電晶體傳感器，可以同時(shí)測(cè)量3個(gè)方向的銑削力，其主要性能指標(biāo)見表3。銑削力的方向定義為：進(jìn)給方向?yàn)閤，銑刀徑向切深方向?yàn)閥，刀具軸向?yàn)閦。
刀具磨損測(cè)量系統(tǒng)：體視顯微鏡、顯微攝像系統(tǒng)與圖像測(cè)量分析軟件。
試驗(yàn)結(jié)果與分析
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)軸向切深并非影響銑削力和刀具耐用度的主要因素，所以固定軸向切深ap為6mm，采用三因素三水平正交法對(duì)鈷基高溫合金gh188進(jìn)行銑削試驗(yàn)。表4為試驗(yàn)所使用的因素水平表，試驗(yàn)采用干切削、順銑。
1銑削力分析
銑削力的產(chǎn)生基礎(chǔ)是切屑變形，同時(shí)銑削力直接影響切削熱的產(chǎn)生，并進(jìn)一步影響刀具的磨損、破損、刀具耐用度、卷屑和斷屑以及加工表面質(zhì)量等[4]。
在銑削過程中，由于刀具螺旋角為0°，由此產(chǎn)生的軸向力比較小，而且在加工過程中fz對(duì)零件變形等影響比較小，所以這里只考慮銑削參數(shù)對(duì)fx和fy的影響。圖1所示為kistler9265b型測(cè)力儀所測(cè)得的銑削力信號(hào)圖。試驗(yàn)取各銑削周期中銑削力峰值的平均值作為x、y、z方向的銑削分力。
表5和表6分別為fx和fy的試驗(yàn)安排與結(jié)果分析，其中銑削長(zhǎng)度為200mm。表中f1、f2和f3分別為每種因素在1、2、3水平下對(duì)應(yīng)的銑削力之和，m1、m2和m3為其平均值，r為各水平下銑削力平均值的極差，即在每種因素下：
r=max{m1,m2,m3}-min{m1,m2,m3}，（1）
根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理[5]，式（1）中r的大小即反映各因素對(duì)銑削力影響的大小。
根據(jù)表5和表6中各因素的r值大小，可以看到每齒進(jìn)給量fz對(duì)銑削力的影響zui大，徑向切寬ae，其次銑削速度vc對(duì)銑削力的影響zui小，較好的條件組合為銑削速度vc=100m/min，徑向切寬ae=0.4mm，每齒進(jìn)給量fz=0.04mm/z。
根據(jù)傳統(tǒng)切削理論，銑削力與切削用量的關(guān)系可以表示為：
f=cvcxaeyfzz，（2）
根據(jù)式（2），用matlab將表5和表6中銑削力結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸，即可得到銑削力的經(jīng)驗(yàn)公式：
fx=108.22vc−0.09ae0.20fz0.56,f=40.87，（3）
fy=107.17vc0.08ae0.27fz0.30,f=29.23，（4）
式（3）和式（4）中銑削力經(jīng)驗(yàn)公式f統(tǒng)計(jì)量值分別為40.87、29.23>f0.01（3,5）=12.06，說明擬合出的經(jīng)驗(yàn)公式高度顯著，可用于銑削力的預(yù)測(cè)計(jì)算和分析。
由式（3）可以看出，在銑削加工鈷基高溫合金gh188的過程中，每齒進(jìn)給量fz對(duì)fx的影響zui大（指數(shù)為0.56），徑向切寬ae的影響次之（指數(shù)為0.20），銑削速度vc的影響zui小，且影響效果與以上兩個(gè)銑削參數(shù)相反（指數(shù)為-0.09）。由式（4）可以看出，每齒進(jìn)給量fz和徑向切寬ae對(duì)fy的影響程度差不多（指數(shù)分別為0.30,0.27），銑削速度vc對(duì)fy的影響zui?。ㄖ笖?shù)為0.08）。
2刀具磨損與耐用度分析
金屬切削過程中，刀具在切削力和切削溫度的作用下，由于摩擦、粘結(jié)、擴(kuò)散、崩刃和塑性變形等作用而引起磨損和破損。當(dāng)?shù)毒吣p發(fā)展到一定程度時(shí)，會(huì)影響加工質(zhì)量，直至失去切削能力。刀具磨損是制約難加工材料實(shí)現(xiàn)切削的主要因素之一。
2.1刀具磨損形態(tài)的宏觀分析
銑削gh188時(shí)有如下規(guī)律：在相對(duì)較低的徑向切寬和每齒進(jìn)給量的用量下，zui大切深位置附近的溝槽磨損比較嚴(yán)重，其磨損帶寬度和發(fā)展速度均超過其他部位。如銑削用量vc=80m/min,ae=0.4mm,fz=0.04mm/z時(shí)溝槽部位的磨損量為0.41mm，而其余部位的平均后刀面磨損僅為0.10mm；當(dāng)銑削用量增大后，刀具磨損主要發(fā)生在1/2軸向切深附近，形態(tài)為后刀面出現(xiàn)大塊的崩刃、破碎。這可能是因?yàn)樵谑褂幂^低的徑向切寬和每齒進(jìn)給量銑削gh188時(shí)，刀具主要發(fā)生粘結(jié)磨損和磨料磨損，此時(shí)切屑毛邊的高頻沖擊使得溝槽磨損發(fā)展速度大于其他位置的磨損，溝槽磨損不斷擴(kuò)大使得刀具失效，而刀具其他部位的磨損還較??；當(dāng)以較大的徑向切寬和每齒進(jìn)給量進(jìn)行斷續(xù)銑削時(shí)，切削刃承受較大的沖擊載荷，同時(shí)因?yàn)殂娤鬟^程中溫度zui高的位置往往位于切削刃的1/2軸向切深附近，此處的熱應(yīng)力會(huì)使刀具表面產(chǎn)生裂紋，所以在沖擊載荷和熱應(yīng)力的綜合作用下，切削刃上1/2軸向切深附近發(fā)生大塊的崩刃、破碎而使刀具失效。
另外，銑削gh188的過程中，除在后刀面產(chǎn)生磨損帶外，切削刃附近的刀具材料會(huì)因摩擦和粘結(jié)等原因而受到損失，使切削刃在整體上產(chǎn)生“后退”現(xiàn)象，并且不能保持原來比較銳利的形狀，從而使銑削力和銑削溫度進(jìn)一步升高，使磨損過程加劇。
2.2各銑削參數(shù)對(duì)刀具耐用度的影響
試驗(yàn)過程中選取切削刃中磨損較為均勻的區(qū)域，對(duì)磨損帶寬度測(cè)量3次后取其平均值作為刀具后刀面磨損vb。
圖2為正交試驗(yàn)的刀具磨損曲線，各條曲線序號(hào)分別對(duì)應(yīng)表7中相應(yīng)序號(hào)的試驗(yàn)。在磨損曲線中磨鈍標(biāo)準(zhǔn)vb=0.3mm處做直線（如圖中虛線所示），則其與磨損曲線交點(diǎn)處的橫坐標(biāo)即為此組銑削用量下的刀具耐用度，表7為刀具耐用度的試驗(yàn)結(jié)果與分析。
根據(jù)表7中r值的大小，可以看到銑削速度vc和每齒進(jìn)給量fz是影響刀具耐用度t的主要因素，兩者對(duì)刀具耐用度t的影響程度相似，而徑向切寬ae對(duì)刀具耐用度t的影響zui小。較佳的銑削條件組合為銑削速度vc=80m/min，徑向切寬ae=0.4mm，每齒進(jìn)給量fz=0.04mm/z。與銑削力經(jīng)驗(yàn)公式原理相同，對(duì)表7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，可得到如下刀具耐用度經(jīng)驗(yàn)公式：
t=1011.33vc−2.41ae−0.53fz−1.01,f=5.76,（5）
式（5）中刀具耐用度經(jīng)驗(yàn)公式的f統(tǒng)計(jì)量值為5.76＞f0.05（3，5）=5.41，說明擬合出的經(jīng)驗(yàn)公式顯著性很好，可用于刀具耐用度的預(yù)測(cè)計(jì)算和分析。
由式（5）可以看出，銑削速度vc對(duì)刀具耐用度t的影響zui大（指數(shù)為2.41），每齒進(jìn)給量fz的影響次之（指數(shù)為1.01），徑向切寬ae的影響zui?。ㄖ笖?shù)為0.53）。
結(jié)束語
通過對(duì)鈷基高溫合金gh188的高速銑削研究，可以得到以下結(jié)論。
（1）每齒進(jìn)給量fz和徑向切寬ae是影響銑削力的主要因素，銑削速度對(duì)銑削力的影響比較小。
（2）在相對(duì)較小的徑向切寬和每齒進(jìn)給量下，刀具的主要磨損為后刀面zui大切深位置附近的溝槽磨損，其磨損帶寬度和發(fā)展速度均超過其他部位。當(dāng)銑削用量增大后，刀具的失效形式主要為在切削刃上1/2軸向切深位置附近發(fā)生大塊的破碎。
（3）銑削速度vc是影響刀具耐用度的主要因素，每齒進(jìn)給量fz其次，徑向切寬ae的影響zui小。
（4）在實(shí)際精加工銑削gh188時(shí)，可使用銑削速度vc=80m/min，徑向切寬ae=0.4mm，每齒進(jìn)給量fz=0.04mm/z的銑削用量組合，這樣既能保證有比較高的刀具耐用度（66.3min），也能保證較小的銑削力（fy小于600n）。
此外，工件表面質(zhì)量和切削溫度也是精加工過程中需要考慮的因素，后期需要對(duì)這兩方面進(jìn)一步進(jìn)行研究。
（來源：南京航空航天大學(xué)）