高速銑削鎳基高溫合金GH3039切屑變形研究

吳　桐,　趙　燦,　白玉婷

(1.黑龍江科技大學(xué), 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué), 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心, 哈爾濱 150022)

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高速銑削鎳基高溫合金GH3039切屑變形研究

吳桐1,趙燦1,白玉婷2

(1.黑龍江科技大學(xué), 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué), 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心, 哈爾濱 150022)

為探討高速切削中切屑的微觀形態(tài)和變形機(jī)理,以鎳基高溫合金GH3039為基體,采用單因素銑削實(shí)驗(yàn)的方法,對(duì)鋸齒形切屑變形機(jī)理及切屑進(jìn)行了相關(guān)研究。分析了高速銑削狀態(tài)下鋸齒形切屑的演變過程,切削參數(shù)的改變對(duì)鋸齒形切屑的影響,使用Digimizer測(cè)量軟件對(duì)不同切屑參數(shù)下的切屑進(jìn)行測(cè)量分析。結(jié)果表明:在高速銑削加工狀態(tài)下,切屑形態(tài)為鋸齒形切屑,并隨著銑削速度的提高,鋸齒形切屑頻率增高,銑削深度和每齒進(jìn)給量對(duì)切屑形態(tài)無太大影響;剪切角隨銑削速度的增高而增大,鋸齒化程度越來越高;銑削速度的變化對(duì)切屑有決定性的影響,是形成鋸齒形切屑的重要因素。

高速銑削; GH3039; 切屑變形; 陶瓷刀具

0　引　言

高速切削技術(shù)正越來越多地應(yīng)用于航空航天、船舶制造、模具加工等領(lǐng)域。高速切削可以有效地減少加工時(shí)間,提高加工精度及表面質(zhì)量。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成了高速切削加工技術(shù)的研究和開發(fā)體系,其中包括高速切削加工理論、加工工藝、機(jī)床、工件、刀具等。

鎳基高溫合金的加工性能不好，對(duì)他的研究還局限在對(duì)其切削力、加工參數(shù)的選擇和刀具磨損、切屑絕熱剪切行為發(fā)生后其力學(xué)模型的建立以及鋸齒形切屑產(chǎn)生的臨界條件的預(yù)測(cè)等方面,且其加工方式多數(shù)為車削[1-5]。對(duì)于高速銑削加工中切屑的研究文獻(xiàn)鮮見,由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,使得之前的實(shí)驗(yàn)手段很難得到切屑的顯微觀測(cè),因此,尚須進(jìn)行高速銑削過程中切屑微觀形態(tài)方面的研究。

文中采用單因素銑削實(shí)驗(yàn)的方法,選用鎳基高溫合金GH3039作為加工材料,通過顯微觀察和理論分析,對(duì)切屑微觀形態(tài)進(jìn)行探討性研究。

1　高速銑削切屑變形分析

鎳基高溫合金是最難加工的材料之一,加工時(shí)切削力大、切削溫度高,刀具磨損嚴(yán)重,加工效率低。實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金高速切削的關(guān)鍵因素之一是先進(jìn)的刀具材料。實(shí)驗(yàn)所用刀具為綠葉的WG300陶瓷刀具,直徑φ8,刀片型號(hào)RPGN-2.52 T1A,刀桿型號(hào)為WSRP-2520R,直徑φ25。

1.1切屑形態(tài)演變過程

在銑削過程中,銑削參數(shù)的改變將影響到切屑變形的臨界條件,使其在臨界條件前后出現(xiàn)帶狀和鋸齒狀兩種形態(tài)的切屑。帶狀切屑是以均勻滑移的變形方式在普通切削速度下形成的,鋸齒形切屑則是在高速切削條件下形成。切屑厚度在其為帶狀切屑時(shí)無太大的變化,鋸齒形切屑在高速下的變形極不均勻并且發(fā)生循環(huán)起伏和周期性變化[2]。

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)銑削切屑進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光、腐蝕后,利用掃描電鏡觀察其橫截面,發(fā)現(xiàn)在高速銑削過程中只出現(xiàn)鋸齒形切屑,圖1為銑削速度vc=210 m/min,刀具前角γ0為-6°鋸齒形切屑的顯微照片。由此可以看出,在整個(gè)切屑形成后,切屑區(qū)域根據(jù)其變形的不同在沿長(zhǎng)度的方向上,出現(xiàn)了以切屑基塊為主的梯形區(qū)和以發(fā)生集中剪切滑移為主的剪切帶區(qū),后者在基體之間呈周期性的排列,使其有規(guī)則性的分割屑?jí)K基體。

圖1　鋸齒形切屑

1.2剪切角

金屬切削過程中切屑的形成模型如圖2所示,其中v、vc、ac、γ0、φ分別表示其切削加工中的切削速度、切屑速度、切削厚度、刀具前角、剪切角,s表示切削過程中由于切屑變形產(chǎn)生的為第一變形區(qū)厚度,δ則表示切屑產(chǎn)生鋸齒形切屑時(shí)切屑變形引起的第一變形區(qū)內(nèi)的剪切帶寬度,圖2中的Fc、FT則表示其切削過程中產(chǎn)生的切削力。

圖2　切屑形成模型

從起始銑削速度220 m/min開始切屑即為鋸齒形態(tài),且隨著銑削速度的提高,鋸齒生成頻率增大,鋸齒間距緊湊;同時(shí)由于切屑絕熱剪切變形區(qū)內(nèi)溫度升高,切屑材料發(fā)生熱軟化效應(yīng),使得剪切變形抗力變小,銑削力降低。

由圖2可以看出,鋸齒形切屑的剪切角大于帶狀切屑。文獻(xiàn)[2]通過研究難加工材料的絕熱剪切行為,得到切削速度、刀具前角、工件硬度的變化都會(huì)對(duì)剪切角的大小產(chǎn)生影響的結(jié)論。文中對(duì)同樣是難加工的鎳基高溫合金材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到銑削速度對(duì)剪切角的影響。圖3是fz=0.15 mm 、ap=1.5 mm、γ0=-6時(shí),不同銑削速度下切屑的剪切角。如圖3所示,隨著銑削速度的提高,切屑剪切角呈線性增加。

圖3　不同銑削速度下切屑的剪切角

通過對(duì)鋸齒形切屑的銑削力、剪切角測(cè)量分析得出,銑削過程中隨銑削速度的提高,刀具與工件接觸處摩擦作用增強(qiáng)使其銑削溫度升高,銑削過程中產(chǎn)生的熱量大部分由切屑帶走,而這部分熱量會(huì)導(dǎo)致切屑材料發(fā)生熱軟化效應(yīng),使得與切屑接觸處刀具前刀面上的剪切力降低。通過分析得出剪切角的增大將會(huì)使切屑形成過程中的厚度有所降低,與此同時(shí)又使得切屑和刀具前刀面的接觸面積繼續(xù)減小,從而使銑削力降低到一定程度。

2　切屑的齒距與切削比

2.1齒距

切削速度和刀具前角絕對(duì)值的改變,將會(huì)影響到切削過程中產(chǎn)生的鋸齒形切屑的平均齒距及單位切削力,具體的影響關(guān)系,M. A. Davies 認(rèn)為平均齒距隨切削速度降低和刀具前角絕對(duì)值的減小而減小[6-9]。

圖4是使用DIGIMIZER軟件對(duì)pc和p測(cè)量的示意,pc和p分別表示切屑形成后的齒距和切屑自由表面上的鋸齒單元寬度。圖5為γ0=-6°時(shí),在不同銑削參數(shù)下測(cè)量得到的鎳基高溫合金GH3039鋸齒形切屑的平均齒距pc變化的分析圖。由圖5a可知,隨著銑削速度的增加齒距呈增大趨勢(shì)。且當(dāng) 290≤v≤320 m/min時(shí),齒距隨著銑削速度的增加突然增大,出現(xiàn)陡峭形狀;當(dāng)v超過320 m/min 之后,鋸齒形切屑的平均齒距隨銑削速度的增加有緩慢上升的趨勢(shì),但總體還是趨于穩(wěn)定的。在銑削速度vc=210 m/min,每齒進(jìn)給量fz=0.08 mm/齒,ap=1.5 mm條件下,在不改變銑削寬度ae=17 mm,單因素改變ap和fz,切屑形態(tài)無太大變化;在金屬切削過程中,文獻(xiàn)[2]對(duì)難加工材料的切屑由帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形切屑的臨界條件已作過研究,文中將繼續(xù)深入研究在高速銑削時(shí),即在銑削速度繼續(xù)增高的情況下切屑的形態(tài)分析。當(dāng)fz=0.15 mm,ap=1.5 mm時(shí),不同速度的鋸齒形切屑形成的同時(shí),變形開始集中在鋸齒之間比較窄的區(qū)域內(nèi),即絕熱剪切帶。隨著銑削速度的增加,銑削溫度升高,絕大部分熱量隨著切屑流走,導(dǎo)致切屑材料受熱軟化,硬度降低,易形成鋸齒形切屑。故切屑的鋸齒形狀變小,分布亦越來越緊湊,即切屑變形的頻率加大。

圖4　pc和p的測(cè)量

圖5　不同切削條件下的切屑鋸齒變化

圖5b為每齒進(jìn)給量改變時(shí)其平均齒距pc的變化分析,由圖5b可知,平均齒距隨著每齒進(jìn)給量的增加首先出現(xiàn)增大的趨勢(shì),隨后繼續(xù)改變每齒進(jìn)給量,其平均齒距無太大變化。當(dāng)每齒進(jìn)給量fz從0.1增加到0.12 mm時(shí),其平均齒距分別增加到69和 99 μm,由此可知,在此每齒進(jìn)給量范圍內(nèi),切屑的平均齒距pc變化明顯。同時(shí)可以看出,每齒進(jìn)給量對(duì)平均齒距的變化有著非常重要的影響,當(dāng)fz>0.12 mm/齒后,平均齒距變化趨于平穩(wěn)緩慢的增加。

2.2切削比

朱雨恩[10]對(duì)鈦合金鋸齒形切屑的切削比進(jìn)行分析得出:切削比的變化是受到加工刀具前角和切削速度的共同作用的,刀具前角在0和-10°時(shí)切削比隨切削速度的提高而增大。文中選擇的刀具前角為-6°,假設(shè)切屑在形成過程,除了剪切帶內(nèi)產(chǎn)生變形之外,鋸齒單元沒有因擠壓發(fā)生塑性變形。則切削比為

(1)

通過式(1),計(jì)算得到不同銑削條件下的近似切削比r,切削比與銑削參數(shù)之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6　不同切削條件下切屑的切削比

Fig. 6Cutting ratio of chips in different cutting condition

由圖6a知,隨著切削速度vc的增加,切削比r先增大后減小,即在vc從220增加到230 m/min時(shí),切削比是升高的;隨后r值開始降低,vc在290 ～320 m/min范圍內(nèi)r又開始上升,320 m/min后切削比下降。圖6b可知,r隨每齒進(jìn)給量fz的增加先增大后減小,最后趨于穩(wěn)定緩慢降低狀態(tài)。分析圖6后得出銑削速度和每齒進(jìn)給量對(duì)切削比都有一定程度的影響。

3　切屑的鋸齒化程度

對(duì)于連續(xù)型帶狀切屑的變形程度,可在電子顯微鏡下獲得特定放大倍數(shù)的微鏡照片,并利用專門的圖形測(cè)量軟件Digimizer測(cè)量其厚度。通常使用切屑變形系數(shù)ξ或切削比r來度量,其定義為

(2)

對(duì)于在切削加工過程中生成的鋸齒形切屑,齒頂與齒根的厚度,由于材料發(fā)生熱軟化引起塑性變形,所以對(duì)于以前比較傳統(tǒng)的變形系數(shù)法,已經(jīng)無法正確衡量切屑的塑性變形程度。

圖7鋸齒形切屑變形系數(shù)和鋸齒化程度的顯微測(cè)量照片

Fig. 7Micrograph of deformation coefficient and degree of serrated chips

文獻(xiàn)[8]中,引入?yún)?shù)鋸齒高度比Gs來衡量鋸齒形切屑的變形程度,其測(cè)量方法如圖7所示。鋸齒高度比

(3)

式(3)中,H為齒頂?shù)角行嫉撞康拇怪本嚯x,h1為鋸齒齒底到切屑底部的垂直距離。圖8所示為不同銑削速度下鋸齒形切屑的鋸齒化程度測(cè)量結(jié)果。由圖8分析可知,銑削速度對(duì)鋸齒化的產(chǎn)生有顯著影響。當(dāng)vc由220 m/min增加到240 m/min時(shí),鋸齒化程度曲線陡峭,在此過程中,由于銑削速度的增加,切削加工過程中切屑材料的熱軟化作用增強(qiáng),使得切屑更易形成鋸齒形切屑,但由于其突發(fā)性會(huì)使機(jī)床、工件瞬時(shí)沖擊增大,此銑削速度范圍并不適合實(shí)際生產(chǎn)加工。隨著銑削速度繼續(xù)增加,在240和290 m/min之間,其切屑的鋸齒化程度緩慢增大,趨于穩(wěn)定,此時(shí)適合加工。隨后,vc超過290 m/min開始,相對(duì)曲線陡峭部分,鋸齒化程度上升緩慢,并逐漸趨近于1。這說明隨著銑削速度增大,鋸齒形切屑內(nèi)基體屑?jí)K之間的接觸長(zhǎng)度整體趨勢(shì)是逐漸減小,剪切帶內(nèi)的變形加劇,并最終會(huì)導(dǎo)致屑片彼此分離。

圖8　不同銑削速度下的切屑鋸齒化程度

4　切屑微觀形態(tài)分析

文獻(xiàn)[2]中,對(duì)高強(qiáng)度鋼的切屑形態(tài)分析后,得到其切屑在低速下形成以組織劇烈拉長(zhǎng)為特征的形變帶,高速下形成以組織嚴(yán)重細(xì)化為特征的轉(zhuǎn)變帶的結(jié)論。圖9是鎳基高溫合金GH3039在切削過程中的切削形態(tài)。由圖9可知,上述規(guī)律亦適合于高速銑削鎳基高溫合金,且隨著銑削速度的增加,切屑的形態(tài)越來越規(guī)則。速度較低時(shí),切屑和刀具接觸的時(shí)間增長(zhǎng),增加切屑和刀具之間的摩擦?xí)r間,最終導(dǎo)致切屑的變形明顯。隨著速度的增高,會(huì)減少切屑受到刀具摩擦的時(shí)間,使得前刀面平均摩擦系數(shù)降低,切屑的變形變得不明顯。這說明,首先銑削速度是切屑形態(tài)是否規(guī)則的重要原因;另外，隨著銑削速度的增加,銑削溫度逐漸升高,摩擦系數(shù)下降,切屑受到的摩擦力減小,因而切屑的變形就越小。由圖9知鋸齒形切屑的形成對(duì)銑削力有著重要的影響。

圖9　鎳基高溫合金切削過程中的切屑形態(tài)

Fig. 9Chip forms of nickel base super alloy in machining

5　結(jié)束語(yǔ)

鎳基高溫合金材料在高速銑削加工狀態(tài)下,切屑基本為鋸齒形。通過觀察和測(cè)量在不同銑削條件下切屑形態(tài)的演變過程、剪切角以及切屑變形,結(jié)果表明,隨著銑削參數(shù)的提高,齒距變的越來越明顯,鋸齒化程度越來越高,切削比變化較為復(fù)雜;相比較而言,銑削速度的增大對(duì)鋸齒形切屑的影響較為明顯。通過理論分析和銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)切屑剪切角測(cè)量分析得出,剪切角隨銑削速度的增高而增大。

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(編輯徐巖)

Study on nickel-based superalloy GH3039 chip deformation for high-speed milling

WUTong1,ZHAOCan1,BAIYuting2

(1.Morden Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. Center for Engineering Training & Basic Experimentation, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is concerned with investigating the serrated chips and chip deformation mechanism. The investigation is performed by using nickel-based superalloy GH3039 and milling single factor test as matrix and employing single factor milling experiment method; analyzing serrated chip’s evolution of the state of the high-speed milling process, the impact of changing the cutting parameters on serrated chips and using Digimizer software to measure and analyze the chipping taking place under different chip parameters. The investigation suggests that， in the high-speed milling state, the chipping takes place in the form of serrated chipping, and has an increased frequency due to increasing milling speed, without being affected by milling depth and feed rate per tooth; shear angle and the degree of sawtooth are increased as milling speed increases; the change in the milling rate has a decisive influence on the chip and is an important factor in the formation of serrated chips.

ceramic cutter; GH3039; chips deformation; ceramic cutter

2015-03-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405138);黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201328)

吳桐(1981-),男,黑龍江省哈爾濱人,工程師,研究方向:多軸數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化,E-mail:123747678@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.017

TG506.7

2095-7262(2015)03-0311-06

A