高速銑削鐵基高溫合金表面加工硬化及殘余應(yīng)力研究*

楚滿福，高 軍，鄭光明，徐汝鋒，張 旭，李 源

(山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

鐵基高溫合金GH2132的熱穩(wěn)定性、熱強性突出，剛度高、韌性大，廣泛用于航空發(fā)動機高溫承力部件，如：發(fā)動機渦輪盤、封嚴環(huán)、轉(zhuǎn)子葉片等[1-2]。但GH2132高速切削時導(dǎo)熱性差、切削力大，致使表面發(fā)生嚴重的塑性變形，進而導(dǎo)致加工硬化和殘余應(yīng)力產(chǎn)生，嚴重影響了零部件的耐磨性、耐疲勞性和抗腐蝕性等服役性能[3]，使得零部件質(zhì)量難以控制，因此對鐵基高溫合金類材料加工表面完整性的研究亟待解決。

高速切削可以提高切削效率、加工精度和表面質(zhì)量，適合加工難加工材料。國內(nèi)外對高溫合金高速切削表面完整性研究較多。硬質(zhì)合金刀具銑削RR1000粉末高溫合金時，加工表面硬化層深度約為50μm[4]，且表面硬化層深度隨切削速度的增加而減小[5]。vc=40m/min時，加工硬化層深度為90μm；vc=200m/min時，加工硬化層深度減小到60μm[6]。高速切削鎳基高溫合金GH4169時，表面加工硬化程度在110.5%～127.5%之間，影響表面加工硬化的主次因素依次是切削速度、切削深度、每齒進給量[7]，并發(fā)現(xiàn)加工表面塑性變形導(dǎo)致了表面硬度高于基體硬度[8]。

高速銑削Inconel718時，殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力[9]。隨著切削速度增加，殘余拉應(yīng)力增加；隨切削深度的增加，殘余拉應(yīng)力在400～550MPa之間[10]。殘余壓應(yīng)力隨每齒進給量的增大而減小，且垂直方向的殘余壓應(yīng)力值普遍小于進給方向的殘余壓應(yīng)力值[11]。

目前，未見關(guān)于如何優(yōu)化切削參數(shù)獲得理想的表面硬度及應(yīng)力的研究，本文針對鐵基高溫合金GH2132，研究切削參數(shù)對表面加工硬化和殘余應(yīng)力的影響，為GH2132材料零部件加工效率的提高和切削參數(shù)的優(yōu)化提供試驗基礎(chǔ)。

1 試驗條件與方法

1.1 工件材料

工件材料為鐵基高溫合金GH2132，加工成長寬高分別為105mm×70 mm×80 mm方塊。GH2132的主要化學(xué)成分及物理力學(xué)性能分別見表1和表2。

表1 GH2132主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)%)

表2 GH2132物理力學(xué)性能

1.2 刀具材料

選用日本住友集團和美國肯納公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金涂層刀片進行高速干銑削試驗，刀片詳細參數(shù)如表3所示。試驗用刀桿，住友公司生產(chǎn)的立銑刀，型號為 WEX 2020E(標準型)；肯納公司生產(chǎn)的立銑刀，型號20A03R028A20ED10。切削參數(shù)：切削速度vc=50～200 m/min、每齒進給量fz=0.06～0.12mm/z、軸向切削深度ap=0.2～0.5 mm、徑向切削深度ae=2～5mm。

表3 硬質(zhì)合金刀片

1.3 試驗設(shè)備及測試方法

試驗在某集團生產(chǎn)的XD-40A立式數(shù)控銑床上進行，機床主軸最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min。為避免各刀片之間相互干涉，試驗采用裝有單個刀片的干銑削順銑加工方式。試驗結(jié)束后，采用FM-800型維氏顯微硬度計進行顯微硬度測量，測量時，載荷增加至0.49N，保載的時間為15s，每隔15μm作為一測量點進行測量，直到測出的硬度值連續(xù)接近基體硬度值(360HV)為準。測試時的壓痕如圖1所示。加工硬化程度由公式(1)計算，其中HV為已加工表面硬度值，HV0為加工前基體硬度值。

(1)

殘余應(yīng)力測試采用Proto-iXRD型X射線應(yīng)力分析儀，管電壓20kV，管電流4mA，Mn靶Kα輻射，V濾波片，準直管直徑1mm，2θ=19°，應(yīng)力測試方向如圖2所示。

圖1 壓痕的順序 圖2 應(yīng)力測量方向

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 加工硬化程度

圖3所示為切削參數(shù)對表面加工硬化程度的影響曲線圖，由圖可見，ACM300切削GH2132時，工件表面加工硬化程度在121.6%～134.1%之間；KC522M切削GH2132時，工件表面加工硬化程度在119.4%～139.9%之間。

從圖3中可以看出，工件表面加工硬化程度隨vc、fz、ap的增大而增大，隨ae的增加而減小。切削過程中，vc的增大，切削力增大，塑性變形增大，因此表面加工硬化程度增大。vc增大，切削溫度升高，GH2132熱脹系數(shù)、熱導(dǎo)率隨之增大，熱量迅速沿表面向基體內(nèi)部傳導(dǎo)，GH2132表面發(fā)生熱軟化，但加工表面硬化程度比熱軟化程度大，因此vc增大，表面加工硬化程度呈現(xiàn)增加的趨勢。因KC522M刀具涂層是AlTiN，導(dǎo)熱性低，熱量較多的從工件表面向內(nèi)部擴散，表面熱軟化嚴重，加上涂層摩擦因數(shù)(0.4)隨切削溫度升高而減小，最終導(dǎo)致加工硬化程度較ACM300切削時小(圖3a)。fz增加，單位時間內(nèi)切削材料增多，切削力增大，表面塑性變形因而增大，導(dǎo)致表面加工硬化程度升高(圖3b)。ap的增加，軸向切除的材料體積增大，致使切削力上升，表層金屬受到強烈的擠壓產(chǎn)生嚴重的塑性變形[12-13]，使得表面加工硬化程度增大(圖3c)。ae的增加，表面硬化程度降低，但從試驗結(jié)果來看，ae的變化對表面加工硬化程度影響較小(圖3d)。表面加工硬化程度在一定范圍內(nèi)能增強工件表層的耐腐蝕性、耐磨性及抗氧化性能。

(a) fz = 0.08 mm/z，ap = 0.3 mm，ae = 3 mm

(b) vc = 100 m/min， ap = 0.3 mm，ae = 3 mm

(c) vc=100m/min，fz=0.08 mm/z，ae=3mm

(d) vc=100m/min，fz=0.08 mm/z，ap=0.3 mm 圖3 切削參數(shù)對表面加工硬化程度的影響

2.2 表面殘余應(yīng)力

圖4所示為加工表面殘余應(yīng)力分布圖，由圖可見，切削方向上，表層殘余拉應(yīng)力最大為604.5MPa，殘余應(yīng)力值隨距表層距離的增大而減小，當(dāng)距表層0.38mm時，殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，且距離表層0.4mm時，殘余壓應(yīng)力達到最大值為45 MPa，殘余壓應(yīng)力隨距表層深度的增大而減小，當(dāng)距表層為0.5mm時，殘余應(yīng)力值減小為0。進給方向上，殘余應(yīng)力值變化趨勢和切削方向上相同，表層殘余拉應(yīng)力最大為435.5MPa，當(dāng)距表層0.35mm時，殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，且距離表層0.4mm時，殘余壓應(yīng)力達到最大值為110MPa，殘余壓應(yīng)力隨距表層深度的增大而減小，當(dāng)距表層為0.5mm時，殘余應(yīng)力值減小為0。

ACM300刀具切削GH2132時，表面殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力的形成主要受機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響。一方面，隨著切削的進行，位于刀具切削刃前方的部分晶粒伴隨切屑的分離而流出，水平方向上的晶粒受壓，垂直方向上晶粒受拉，表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力；另一方面，刀-工間強烈的摩擦作用，工件表面發(fā)生塑性變形，造成加工表面溫度升高，里層金屬溫度相對較低，這樣形成溫度的不均勻分布，表層金屬受熱體積迅速膨脹，體積擴大的過程中受到里層金屬的牽制，從而形成熱應(yīng)力，熱應(yīng)力愈來愈大，超過GH2132屈服極限(590MPa)時，表層產(chǎn)生塑性變形，最終表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力[14]。結(jié)合加工硬化程度分析，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力隨著加工硬化程度的增大而增大。不同切削參數(shù)下殘余應(yīng)力變化曲線圖如圖5所示。殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，切削方向上應(yīng)力范圍在170～660MPa之間，進給方向上應(yīng)力范圍在-40～750MPa之間。

(ACM300，vc=100m/min，fz=0.08 mm/z，ap=0.3mm，ae=3mm)

vc=50～150m/min時，殘余拉應(yīng)力隨vc的增加而增大，當(dāng)vc>150m/min時，切削區(qū)刀-工間劇烈的摩擦作用，加工表面產(chǎn)生塑性變形，形成了部分壓應(yīng)力，拉-壓應(yīng)力部分抵消，因此殘余拉應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢(圖5a)。fz增大，切削區(qū)溫度升高，熱應(yīng)力越來越大，加上塑性變形增大，表面殘余拉應(yīng)力增大(圖5b)。ap的變化，殘余拉應(yīng)力范圍在380～660MPa之間，由于機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，表面塑性變形增大，溫度的持續(xù)升高，殘余拉應(yīng)力增加(圖5c)。殘余拉應(yīng)力隨ae的增加而減小，當(dāng)ae=2mm時，殘余拉應(yīng)力最大為635MPa，ae= 5mm時，殘余拉應(yīng)力最小為410MPa(圖5d)。

圖6所示為兩種刀具殘余應(yīng)力對比圖。無論在切削方向，還是在進給方向上，ACM300切削GH2132時產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力均較KC522M切削時大。因ACM300刀具涂層為TiN/TiCN/TiAlN涂層，涂層表層至里層硬度依次增加，耐磨性能增加，涂層氧化溫度依次升高，熱應(yīng)力的影響，從而產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力。而KC522M刀具涂層是AlTiN，導(dǎo)熱性低，熱量較多的從工件表面向內(nèi)部擴散，表面熱軟化嚴重，加上涂層摩擦因數(shù)(0.4)隨切削溫度升高而減小，塑性變形引起的壓應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的拉應(yīng)力相互抵消，最終導(dǎo)致兩種刀具切削GH2132時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不同。

(a) fz = 0.08 mm/z，ap = 0.3 mm，ae = 3 mm

(b) vc = 100 m/min， ap = 0.3 mm，ae = 3 mm

(c) vc=100m/min，fz=0.08 mm/z，ae=3mm

(d) vc=100m/min，fz=0.08 mm/z，ap=0.3 mm

綜上分析，當(dāng)vc=50～100m/min，fz=0.06～0.08mm/z，ap=0.2～0.3 mm，ae=4～5 mm時，應(yīng)力得到控制，一定程度上可以提高零部件的耐腐蝕和抗疲勞性能。

(vc=100m/min，fz=0.08 mm/z，ap=0.3mm，ae=3mm)圖6 涂層對表面殘余應(yīng)力的影響

3 結(jié)論

(1) 表面加工硬化程度隨vc、fz、ap的增大而增大，隨ae增大而減小。ACM300切削GH2132時，表面硬化程度在121.6%～134.1%之間；KC522M切削GH2132時，表面硬化程度在119.4%～139.9%之間。

(2)加工表面殘余應(yīng)力在切削方向和進給方向主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力。切削方向上，殘余拉應(yīng)力最大為604.5MPa，當(dāng)距表層為0.5mm時，殘余應(yīng)力值減小為0；進給方向上，表層殘余拉應(yīng)力最大為435.5MPa，當(dāng)距表層為0.5mm時，殘余應(yīng)力值減小為0。

(3)表面殘余應(yīng)力隨fz、ap的增大而增大，隨ae的增大而減小。當(dāng)vc=50～150m/min時，殘余拉應(yīng)力隨vc的增加而增大，當(dāng)vc>150m/min時，殘余拉應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢。vc=50～100m/min，fz=0.06～0.08mm/z，ap=0.2～0.3 mm，ae=4～5 mm時，表面加工硬化小，拉應(yīng)力得到控制，從而提高零部件的服役性能。