Inconel 718鎳基合金高速銑削表面粗糙度研究*

蓋立武，吳查穆，張克棟

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2. 蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

Inconel 718鎳基合金因具有工作溫度高、抗氧化性和抗熱腐蝕性好等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，是制造航空航天渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、工作葉片、導(dǎo)向熱片和燃燒室等重要零部件的材料[1-6]。但從切削性能來(lái)看，Inconel 718鎳基合金的切削性能較差，是典型的難切削材料，在切削加工中存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重、排屑困難等特點(diǎn)，零件的表面質(zhì)量較難保證[7-9]。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鎳基合金材料的表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，研究如何改善Inconel 718鎳基合金零件的表面質(zhì)量是一個(gè)重要的課題[10-12]。

本文采用正交試驗(yàn)和極差分析法研究了高速銑削鎳基合金時(shí)切削速度V、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度ae等4個(gè)銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，運(yùn)用多元線性回歸分析的方法建立了表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)殘差圖和實(shí)際切削對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了雙重檢驗(yàn)，為實(shí)際生產(chǎn)中高速、高效加工Inconel 718鎳基合金提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

Inconel 718鎳基合金材料試樣的尺寸規(guī)格為80 mm×80 mm×60 mm。其化學(xué)成分和機(jī)械加工性能如表1和表2所示。

表1 Inconel 718主要化學(xué)成分

表2 Inconel 718的機(jī)械加工性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在HassVF-3立式鏜銑加工中心上進(jìn)行，該機(jī)床是美國(guó)哈斯自動(dòng)化公司生產(chǎn)的高精度立式鏜銑加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，定位精度為0.005 mm,X、Y、Z行程為1016×508×635,主電動(dòng)機(jī)功率為22.4 kW。試驗(yàn)刀具采用株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的Tialn涂層硬質(zhì)合金銑刀，刀具為整體立銑刀，刀齒為4齒，直徑為12 mm，螺旋角為30°，刃長(zhǎng)為30 mm，刀齒為尖角保護(hù)性。試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量采用北京時(shí)代之峰科技有限公司生產(chǎn)的的手持式TR110袖珍式粗糙度儀，行程長(zhǎng)度6 mm，取樣長(zhǎng)度2.5 mm，測(cè)量范圍(μm)Ra0.05～Ra10.0,示值誤差±15%,示值變動(dòng)性<12%。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過(guò)程中采用順銑、干式切削，研究并分析銑削參數(shù)對(duì)Inconel 718鎳基合金已加工表面粗糙度的影響規(guī)律。選取切削速度V、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度ae這4個(gè)銑削參數(shù)建立因素水平表如表3所示，表3的值由實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)刀具的切削性能估算。從表3可以看出各銑削用量的取值范圍涵蓋了粗加工、半精加工、精加工，可以比較全面的研究銑削鎳基合金材料時(shí)表面粗糙度隨著銑削參數(shù)改變的變化規(guī)律。試驗(yàn)方案采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)表L16(44)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果(每組試驗(yàn)測(cè)量3次，取平均值)，如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素和水平

表4 正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

3 銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

根據(jù)表4求出各因素對(duì)應(yīng)的極差值，結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5 表面粗糙度極差表

從表5可以看出，表面粗糙度受銑削參數(shù)的影響程度的大小依次是fz、ap、ae、V。僅考慮減小工件已加工表面粗糙度，較優(yōu)的參數(shù)組為：V=140 m/min,fz=0.015 mm/z,ap=0.25 mm,ae=1 mm。為了更直觀顯示表面粗糙度受銑削參數(shù)的變化程度，做出相應(yīng)的指標(biāo)因素影響圖，如圖1～圖4所示。

從圖1中可以看出，隨著銑削速度的增加，表面粗糙度先快速的下降，接著呈遞增趨勢(shì)。銑削速度在140 m/min時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最小，這是因?yàn)殡S著銑削速度的提高，銑削溫度也隨之提高，溫度高會(huì)使材料發(fā)生軟化，使得銑削加工變得容易，刀具磨損變小，更容易獲得光滑的加工表面。但切削溫度增大到一定程度，會(huì)使刀刃變軟，刀具硬度降低，反而會(huì)加快刀具的磨損，刀具磨損后刃口變得凸凹不平，使得表面粗糙度變差。因此在切削Inconel 718鎳基合金材料時(shí)，適當(dāng)提高切削速度會(huì)獲得較好的表面質(zhì)量，但切削速度的提高要控制在一定的范圍內(nèi)。

圖1 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)圖

從圖2可以看出，隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度值也是隨著遞增的，因?yàn)殡S著每齒進(jìn)給量的增加，刀具每齒之間的切削距離也隨著增加，使得切削輪廓間距變大，進(jìn)而使得表面粗糙度增大，因此在切削Inconel 718鎳基合金材料時(shí)，為了獲得較好的表面粗糙度應(yīng)適當(dāng)減小每齒進(jìn)給量。圖中折線的陡峭度也顯示每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響較大。

圖2 每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)圖

從圖3可以看出,隨著切削深度的增加，表面粗糙度先是逐漸下降一段，接著極劇上升，最后上升速度又變慢。這是因?yàn)镮nconel 718鎳基合金材料硬度較高，當(dāng)切削深度過(guò)小時(shí)，刀刃與已加工表面間的震動(dòng)較大，使得表面粗糙度變差，隨著切削深度的增加，切削變得平穩(wěn)，表面粗糙度隨之下降，當(dāng)切削深度繼續(xù)增加時(shí)，切削力增加迅速，使得刀刃容易發(fā)生崩刃，刀具磨損迅速，表面粗糙度也跟著急劇上升。當(dāng)切削深度再繼續(xù)增加時(shí)，由于磨損后的刀刃對(duì)已加工表面起到一定的修光作用，使得表面粗糙度增速變慢。

圖3 切削深度對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)圖

從圖4可以看出,在切削寬度小于3 mm時(shí)，它的表面粗糙度值的變化幅度不大，變化趨勢(shì)較平緩，當(dāng)切削寬度大于3 mm時(shí)它的粗糙度值呈明顯上升趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)切削寬度較小時(shí)，切削力和切削溫度的增加不是很明顯，對(duì)表面粗糙度的影響較小。當(dāng)切削寬度增加到一定范圍后，使得主切削刃與切屑的接觸面積變大，主切削刃處的散熱條件變差，在切削溫度的影響下，刀具的耐用度下降很快，切削刃發(fā)生劇烈磨損，致使表面粗糙度迅速增加。

圖4 切削寬度對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)圖

4 多元線性回歸分析

4.1 預(yù)測(cè)模型的建立

建立表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，可對(duì)工件加工前的表面粗糙度進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，對(duì)銑削用量參數(shù)的設(shè)定和刀具耐用度的估算都有著重要的幫助作用。由于工件的表面粗糙度與切削速度V、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度ae存在指數(shù)關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式建立如式(1)的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。

Ra=CVb1fzb2apb3aeb4

(1)

其中,C是加工材料、銑削條件的系數(shù)，b1,b2,b3,b4分別為指數(shù)。

式(1)兩邊分別取對(duì)數(shù)得到：

lgRa=lgC+b1lgV+b2lgfz+b3lgap+b4lgae

(2)

將切削參數(shù)及試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果代入式(2)中，采用最小二乘估計(jì)，得到的參數(shù)估計(jì)值為：

C=17.100;b1=-0.106 2;b2=0.829 5;
b3=0.540 4;b4=0.216 2

從而得到切削速度V，進(jìn)給量fz，切削深度ap，切削寬度ae之間的線性回歸模型見(jiàn)式(3)：

Ra=17.100V-0.106 2fz0.829 5ap0.540 4ae0.216 2

(3)

4.2 預(yù)測(cè)模型顯著性檢驗(yàn)

預(yù)測(cè)模型是基于假設(shè)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)位置參數(shù)的估計(jì)，因此為了檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的可靠性需要對(duì)(3)式進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，這里使用MATLAB軟件生成的殘差圖進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。

使用MATLAB軟件進(jìn)行最小二乘法運(yùn)算，得到回歸系數(shù)并進(jìn)行多元線性回歸分析時(shí)，得出檢驗(yàn)參數(shù)和系數(shù)(r2、F、P)。r2為多元線性回歸的相關(guān)系數(shù)，且要|r2|≤1，當(dāng)r2越接近于1時(shí)，說(shuō)明擬合程度越好。F為統(tǒng)計(jì)量，F(xiàn)檢驗(yàn)的值越大回歸方程越顯著。P為誤差方差估計(jì)值。

如圖5的殘差杠桿圖。當(dāng)可信度95%，且R2=0.750 6，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量=8.278 4>0，p=0.023 5<0．05，說(shuō)明回歸方程中每個(gè)自變量選取較好，擬合效果良好，回歸方程顯著，所建立的預(yù)測(cè)模型能夠很好地模擬實(shí)際加工情況。

圖5 表面粗糙度預(yù)測(cè)模型殘差圖

5 預(yù)測(cè)模型切削驗(yàn)證

在采用殘差圖檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度，在機(jī)床、刀具、測(cè)量?jī)x器不變的情況下，隨機(jī)選取10組不同的切削參數(shù)對(duì)試件進(jìn)行銑削加工，加工后的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值的誤差比如表6所示。

表6 切削驗(yàn)證數(shù)據(jù)表

從表6可以看出預(yù)測(cè)誤差范圍在2.1%～7.5%之間，經(jīng)計(jì)算綜合預(yù)測(cè)誤差為5.1%，證明建立的Inconel 718鎳基合金加工表面粗糙度預(yù)測(cè)模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，可以用來(lái)預(yù)測(cè)銑削鎳基合金Inconel 718的加工表面粗糙度，以及表面粗糙度隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律。

6 結(jié)論

利用Tialn涂層銑刀對(duì)Inconel 718鎳基合金材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，研究切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，通過(guò)理論總結(jié)和試驗(yàn)結(jié)果分析得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)正交試驗(yàn)和極差分析法得出表面粗糙度受銑削參數(shù)的影響程度的大小依次為：fz、ap、ae、V，僅考慮減小工件已加工表面粗糙度，得出較優(yōu)參數(shù)組為：V=140 m/mm,fz=0.015 mm/z,ap=0.25 mm,ae=1 mm。

(2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，經(jīng)過(guò)殘差杠桿圖的驗(yàn)證，證實(shí)該模型具有較高的顯著性。

(3)通過(guò)隨機(jī)選取10組不同的銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行加工驗(yàn)證，計(jì)算出綜合預(yù)測(cè)誤差大約為5.1%，證實(shí)了建立的Inconel 718鎳基合金加工表面粗糙度預(yù)測(cè)模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，可以用來(lái)預(yù)測(cè)銑削Inconel 718鎳基合金的加工表面粗糙度，以及表面粗糙度隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律。