鑄造高溫合金K423A內(nèi)圓車削工藝優(yōu)化研究

聶聰，蘇宏華，胡浩

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

K423A合金是我國(guó)自行研制的鎳基等軸晶鑄造高溫合金，合金的強(qiáng)度高，抗氧化、抗疲勞性能好，使用溫度最高可達(dá)1 050 ℃，是目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛使用的高溫材料，也是典型的難加工材料[1-3]。高溫合金切削過(guò)程中具有熱傳導(dǎo)率低、加工硬化嚴(yán)重、高溫強(qiáng)度高等特點(diǎn)[4-7]，給加工制造帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。主要困難表現(xiàn)在：加工工具壽命短，加工效率低，加工表面完整性差，難以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件高效、高質(zhì)量、低成本的加工需求。涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，是加工鎳基高溫合金的常用刀具。但是，目前采用硬質(zhì)合金刀具切削加工K423A鑄造高溫合金的研究報(bào)道較少，針對(duì)內(nèi)圓特征的切削研究更顯不足。

本文通過(guò)對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具內(nèi)圓切削K423A高溫合金的試驗(yàn)研究，分析切削力與刀具磨損，綜合考慮切削效率與刀具壽命，提出優(yōu)化的切削參數(shù)。

1 試驗(yàn)條件及方案

1.1 試驗(yàn)材料及刀具

試驗(yàn)所用工件材料為K423A鑄造高溫合金，材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1，主要物理及力學(xué)性能見(jiàn)表2。試驗(yàn)工件為整體鑄件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用花盤裝夾，內(nèi)圓車削部分規(guī)格為φ186 mm×40 mm。涂層硬質(zhì)合金刀片選用的CNMG120412，匹配刀桿A25T-DCLNR12。試驗(yàn)時(shí)，刀桿懸伸長(zhǎng)度為56 mm。

表1 K423A的質(zhì)量分?jǐn)?shù) (%)

表2 K423A主要物理及力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在SK50P數(shù)控車床上進(jìn)行，采用Kistler9272型三向壓電式測(cè)力儀、5070A型電荷放大器和DynoWare V2.51型力信號(hào)采集系統(tǒng)等儀器測(cè)切削力。測(cè)力儀安裝時(shí)，使z向?yàn)榍邢魉俣确较?，x向?yàn)檫M(jìn)給方向，y向?yàn)榍猩罘较?，即Fz為主切削力，F(xiàn)x為進(jìn)給抗力，F(xiàn)y為切深抗力。用Hirox KH-700三維視頻顯微鏡跟蹤拍攝測(cè)量刀具磨損量。磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為：后刀面平均磨損量VB=0.3mm或后刀面最大磨損量VBmax=0.6m。

本文選定切深ap為1.5mm，對(duì)切削速度v和進(jìn)給量f進(jìn)行二元排列法全搭配試驗(yàn)，切削速度選取10m/min，15m/min，20m/min，25m/min 4個(gè)水平，進(jìn)給量選取0.1mm/r，0.15mm/r，0.2mm/r 3個(gè)水平。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削力分析

切削力隨切削速度變化情況如圖1所示。在進(jìn)給量為0.1～0.2mm/r范圍內(nèi)，主切削力隨切削速度的增大表現(xiàn)得相對(duì)平穩(wěn)，變化幅度均在100N以內(nèi)。進(jìn)給量在0.1mm/r和0.15mm/r時(shí)，主切削力隨速度的增大都出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)榍邢魉俣仍龃?，剪切角增大，摩擦系?shù)和變形系數(shù)減小，切削力隨之減小。另外，速度增大，材料的熱軟化作用愈加明顯，切削力下降[8]。進(jìn)給量增大到0.2mm/r時(shí)，進(jìn)給量帶來(lái)的熱軟化作用效果顯著，使得切削力在v=15m/min時(shí)便下降到最小值。之后切削力增大，主要是因?yàn)榈毒吣p加劇，在切削速度為20m/min時(shí)，較早出現(xiàn)了微崩刃，25m/min時(shí)，明顯觀察到微崩刃與前刀面的片狀剝落、月牙洼。

圖1 切削力隨切削速度的變化

在切削速度為10～25m/min范圍內(nèi)，切削力隨進(jìn)給量的變化呈現(xiàn)較好的規(guī)律性，均隨進(jìn)給量的增大而增大，主切削力基本在700～1 300N之間。普遍認(rèn)為，進(jìn)給量增大，切削面積增大，使得變形力和摩擦力增大；切削力隨之增大，另一方面，進(jìn)給量增大，切削溫度升高同樣帶來(lái)熱軟化效應(yīng)。同時(shí)，切削厚度增加，變形系數(shù)減小，又會(huì)減小切削力[10]。二者共同作用，影響切削力的變化?？偟膩?lái)看，前者對(duì)切削力的影響明顯大于后者，但在v=15m/min和20m/min時(shí)，進(jìn)給量增大到0.2mm/r時(shí)，切削力增幅減小，后者的影響顯現(xiàn)出來(lái)。

2.2 后刀面磨損量分析

后刀面磨損量隨切削路徑的變化情況如圖2所示。在進(jìn)給量為0.1～0.2mm/r，切削速度為10～20m/min范圍內(nèi)，切削速度對(duì)刀具磨損和刀具壽命的影響呈現(xiàn)較好的一致性，速度越小，刀具壽命越長(zhǎng)，刀具磨損愈加緩慢。在f=0.15mm/r時(shí)，切削速度為10m/min時(shí)刀片的刀具壽命是400m，切削路程是25m/min速度下的4倍，是15m/min速度下的1.5倍，f=0.2mm/r時(shí)，10m/min速度下刀片的切削路程是其他切削速度下切削路程的2～3.5倍，切削速度對(duì)刀具壽命的影響可見(jiàn)一斑。另外，進(jìn)給量為0.15mm/r時(shí)，15m/min和20m/min速度下出現(xiàn)了時(shí)間較短的穩(wěn)定磨損階段，0.2mm/r的進(jìn)給量下，15～25m/min速度下刀具磨損急劇增大直至達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，10m/min速度下刀具雖然也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的穩(wěn)定磨損階段，但在整個(gè)刀具壽命中磨損緩慢。進(jìn)給量對(duì)刀具壽命的影響呈現(xiàn)出與切削速度一致的規(guī)律，進(jìn)給量越大，刀具壽命越短。在切削速度為25m/min時(shí)，f=0.1mm/r下的刀具壽命是其他進(jìn)給量下的1.67～2倍。由此可知，低速和小進(jìn)給量有利于刀具壽命，前刀面磨損過(guò)程如圖3所示，比較圖3(b)和圖3(c)，隨著進(jìn)給量增大，低速(10m/min)對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命的影響變得更加顯著，而隨著切削力的增大，小進(jìn)給量(0.1mm/r)對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命的影響在減小。在選擇切削參數(shù)時(shí)，從刀具壽命的角度考慮，應(yīng)選擇10m/min、0.1mm/r的低速小進(jìn)給量的參數(shù)切削，從切削效率的角度考慮，應(yīng)當(dāng)首先增大進(jìn)給量，選擇較小的切削速度，以盡量減小對(duì)刀具壽命的影響。

圖2 后刀面最大磨損量隨切削路程的變化

刀片磨損形式主要是前刀面的月牙洼、片狀剝落，微崩刃，后刀面磨損等。刀具磨損初期，在前刀面上可觀察到微崩刃和輕微的片狀剝落。隨著切削的進(jìn)行，月牙洼出現(xiàn)，這是由于切屑在高溫高壓下流經(jīng)前刀面，與前刀面摩擦，在熱擴(kuò)散、氧化、粘結(jié)綜合作用下，生成小的凹坑，形成月牙洼形式的磨損。在圖3(b)中，切削路程達(dá)到18m時(shí)明顯觀察到月牙洼與裂紋，裂紋是由于熱應(yīng)力疲勞和刀具-切屑或刀具-工件的接觸疲勞產(chǎn)生的。圖3(c)中，切削路程達(dá)到27m時(shí)，裂紋更加明顯。在內(nèi)圓車削中，振動(dòng)嚴(yán)重，切削力大，各參數(shù)下的總切削力基本都在1 000N以上，此時(shí)裂紋的影響被放大，極易擴(kuò)展形成片狀剝落或崩刃，導(dǎo)致刀具失效。在其他參數(shù)下，也觀察到嚴(yán)重的層狀剝落，與后刀面的剝落或磨損連在一起，致使鋒利的切削刃消失，刀片呈現(xiàn)極大的刃圓半徑，失去切削能力。

切削速度為10m/min時(shí)，刀具后刀面磨損較為穩(wěn)定，磨損帶上最大磨損寬度常出現(xiàn)在中間位置，但隨著切削的進(jìn)行，前刀面上的片狀剝落與不均勻微崩刃加劇，后刀面上也會(huì)發(fā)生剝落，位置集中在邊界或者最大磨損寬度處。v=20m/min時(shí)，片狀剝落導(dǎo)致刀尖處磨損嚴(yán)重，使得后刀面最大磨損寬度靠近刀尖，出現(xiàn)溝槽磨損，后刀面磨損情況如圖4所示。圖4中，在刀具整個(gè)壽命周期內(nèi)，后刀面均可觀察到明顯的劃痕，這是磨粒磨損的典型形貌，在切削過(guò)程中，工件中的硬質(zhì)點(diǎn)像磨粒一樣深入刀具的接觸表面，對(duì)刀具產(chǎn)生耕犁、刻劃作用。

圖3 前刀面磨損過(guò)程圖

對(duì)圖4(c)刀片上的粘結(jié)物在前刀面上做能譜分析(圖5)，粘結(jié)物含有豐富的Ni、Cr、Co、Mo等元素，可以確定為工件材料。Ni、Cr等元素粘附在刀具表面，不僅影響切削性能，同時(shí)增加了刀具與工件材料的親和性，使粘結(jié)更加嚴(yán)重，當(dāng)粘結(jié)發(fā)展到一定程度時(shí)，工件與粘結(jié)物開裂，粘結(jié)物脫落，加劇刀具磨損[9]。

2.3 切削效率與刀具壽命

為便于直觀地比較分析，對(duì)各參數(shù)下的材料去除率和材料去除量做歸一化處理。v=25m/min，f=0.2mm/r時(shí)，材料去除率最大，為7 500mm3/min，各參數(shù)下的材料去除率均以真實(shí)材料去除率與該值的比值N表示。同樣的，v=10m/min，f=0.1mm/r時(shí)，材料去除量最大，為138cm3，各參數(shù)下的材料去除率均以真實(shí)材料去除率與該值的比值Q表示。

切削速度增大，進(jìn)給量增大，刀具壽命隨之減小，雖然材料去除率增大，但刀具的材料去除量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明在切削速度10～25m/min，進(jìn)給量0.1～0.2mm/r范圍內(nèi)，相比于切削效率，切削參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響更為顯著。

在進(jìn)給量為0.1～0.2mm/r范圍內(nèi)，隨著速度增大，材料去除量減小，但速度在不同進(jìn)給量水平上對(duì)材料去除量的影響程度不同，因速度增大而導(dǎo)致的材料去除量減小值在0.38～0.81之間；在切削速度為10～20m/min范圍內(nèi)，在各速度水平上，進(jìn)給量增大帶來(lái)的材料去除量減小值在0.35～0.45之間。在速度達(dá)到25m/min時(shí)，各進(jìn)給量下的材料去除量近乎相等?？偟膩?lái)看，進(jìn)給量對(duì)材料去除量的影響要小于切削速度。

圖4 后刀面磨損圖

圖5 刀片能譜分析圖

以材料去除率0.5為例，對(duì)應(yīng)的切削參數(shù)及材料去除量可以為v=25m/min，f=0.1mm/r，Q=0.19，或者v=16.7m/min，f=0.15mm/r，Q=0.4，或者v=12.5m/min，f=0.2mm/r，Q=0.55?？梢?jiàn)，為實(shí)現(xiàn)相同的切削效率，選擇較低的切削速度，對(duì)應(yīng)提高進(jìn)給量，可以獲得較大的材料去除量。

3 結(jié)語(yǔ)

在鑄造高溫合金K423A內(nèi)圓車削過(guò)程中：

1) 切削速度對(duì)切削力的影響較小，在10～25m/min范圍內(nèi)，主切削力在750～1 300N之間，而其隨速度的變化浮動(dòng)不超過(guò)100N；進(jìn)給量對(duì)切削力的影響更為顯著，進(jìn)給量越大，切削力越大，但在v=15m/min和20m/min時(shí)，進(jìn)給量增大到0.2mm/r時(shí)，切削力增幅明顯減小。

2) 10m/min和0.1mm/r下的切削路程明顯優(yōu)于其他參數(shù)。隨著進(jìn)給量的增大，10m/min速度下切削路程減小到其他進(jìn)給量的2～3.5倍，隨著切削速度的增大，0.1mm/r下切削路程減小到其他進(jìn)給量的1.67～2倍。

3) 相比于進(jìn)給量，切削速度對(duì)材料去除量的影響更大，進(jìn)給量為0.1～0.2mm/r范圍內(nèi)，在各進(jìn)給量水平上，因速度增大而導(dǎo)致的材料去除量減小值在0.38～0.81之間；切削速度為10～20m/min范圍內(nèi)，在各速度水平上，進(jìn)給量增大帶來(lái)的材料去除量減小值在0.35～0.45之間。