高溫合金GH4169球頭刀銑削表面完整性測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究

紀(jì)任可，鄭光明，韓康寧，李勛

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255000；2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

0 前言

高溫合金具有優(yōu)良的熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性能及熱疲勞性能，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作在高溫氧化和燃?xì)飧g環(huán)境中，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整體葉盤、葉片的主要材料之一。球頭刀銑削加工是整體葉盤型面、葉片型面的主要加工方式。因此，研究球頭刀銑削高溫合金GH4169的加工表面完整性對(duì)于提升整體葉盤型面、葉片型面的加工質(zhì)量及其抗疲勞性能具有重要意義。

美國(guó)學(xué)者FIELD和KAHLES于1964年首次提出表面完整性的概念，并且給出了獲取表面完整性的具體步驟。 至今，高溫合金GH4169的加工表面完整性及其對(duì)試件疲勞性能的影響機(jī)制研究仍是機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究，得到了許多研究成果。楊茂奎和任敬心對(duì)比了磨削和車削GH4169試件的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)加工表面粗糙度對(duì)高溫合金GH4169試件的疲勞性能有顯著影響，隨著加工表面粗糙度增大，試件的疲勞壽命降低。梁軍華和韓俊峰研究發(fā)現(xiàn)切深對(duì)粗糙度影響較大，而線速度和每齒進(jìn)給量的影響較小。ALAUDDIN等使用立銑刀在干式銑削條件下銑削Incone718，并利用RSM建立了預(yù)測(cè)加工表面粗糙度的回歸模型，結(jié)果表明每齒進(jìn)給量會(huì)對(duì)加工表面粗糙度造成較大影響，該結(jié)果為銑削高溫合金Incone718參數(shù)的選擇與優(yōu)化提供了參考。孫士雷等的研究結(jié)果表明銑削速度對(duì)加工表面硬化的影響最明顯。

張穎琳和陳五一利用涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)高溫合金GH4169進(jìn)行了銑削加工實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：銑削加工后試件表面形成了殘余壓應(yīng)力。AKHTAR等的研究結(jié)果表明，在中等切削速度條件下，積屑瘤是導(dǎo)致GH4169加工表面粗糙度上升的主要因素。ASPINWALL等指出球頭銑刀的刀具偏角會(huì)影響銑削表面的加工硬化，當(dāng)?shù)毒邇A角為0°時(shí)，加工表面發(fā)生硬化，而傾角為45°時(shí)，加工表面發(fā)生軟化。多數(shù)研究表明，在銑削加工后，材料表層會(huì)產(chǎn)生明顯的組織纖維化變形，且變形方向與進(jìn)給速度方向一致。CAI等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在干切削條件下，GH4169材料銑削表面殘余應(yīng)力均為殘余拉應(yīng)力。

通過(guò)以上研究可以看出，針對(duì)球頭刀銑削加工GH4169表面完整性方面的研究成果較少，尤其是針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)常用的中、低速銑削條件。本文作者利用球頭刀對(duì)高溫合金GH4169試件進(jìn)行銑削加工，并對(duì)其加工表面完整性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，研究銑削加工參數(shù)對(duì)加工表面完整性指標(biāo)的影響規(guī)律和機(jī)制，為提升高溫合金GH4169的加工表面質(zhì)量和整體葉盤型面、葉片型面的抗疲勞性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為高溫合金GH4169，材料主要化學(xué)成分、物理性能分別如表1和表2所示，熱處理狀態(tài)為固溶時(shí)效。材料基體的硬度為423HV。

表1 高溫合金GH4169的主要化學(xué)成分

表2 高溫合金GH4169的物理性能

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

所有的銑削加工實(shí)驗(yàn)均在三軸立式加工中心VMC-850E上進(jìn)行，該立式加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。加工所使用的刀具是硬質(zhì)合金球頭銑刀，直徑為8 mm，刃數(shù)為2，螺旋角為45°，刀具長(zhǎng)為60 mm，刀具懸長(zhǎng)為35 mm。加工中使用水基切削液進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。試件的銑削加工方式如圖1所示，球頭刀沿軸正向進(jìn)給，銑削表面法向和刀具軸線的夾角=75°，徑向切寬=0.2 mm。

圖1 球頭刀銑削加工方式

對(duì)加工后的試件，采用Taylor Hobson輪廓儀、HV-1000維氏顯微硬度計(jì)、AutoMATE Ⅱ型X射線衍射應(yīng)力儀、VHX-6000超景深顯微鏡分別對(duì)加工表面的粗糙度、表面顯微硬度、加工表面殘余應(yīng)力和表面微觀形貌進(jìn)行檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用如表3所示的銑削參數(shù)對(duì)試件進(jìn)行銑削加工，并對(duì)試件的表面完整性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表3。

表3 銑削參數(shù)及其表面完整性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.1 加工表面粗糙度和微觀形貌

由表3可以看出，進(jìn)給方向上的加工表面粗糙度基本在0.08～0.30 μm之間波動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切寬方向上的粗糙度。很多研究成果表明，在不同的加工工藝條件下，加工表面粗糙度的增大會(huì)導(dǎo)致試件疲勞壽命的降低。因此，分析銑削參數(shù)對(duì)進(jìn)給方向上加工表面粗糙度的影響規(guī)律是研究重點(diǎn)。當(dāng)線速度從20 m/min增至60 m/min時(shí)，進(jìn)給方向表面粗糙度由0.11 μm降低至0.08 μm，變化幅度非常小，可見線速度對(duì)進(jìn)給方向加工表面粗糙度的影響較小。

如圖2所示，當(dāng)線速度=20 m/min時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量從0.04 mm/齒增加到0.09 mm/齒，表面粗糙度由0.13 μm增大至0.30 μm，變化幅度較大。這主要是每齒進(jìn)給量增大會(huì)導(dǎo)致銑削加工區(qū)域殘留材料的高度增加，進(jìn)而導(dǎo)致試件加工表面的粗糙度增大。

圖2 每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響(vc=20 m/min、ap=0.2 mm) 圖3 切深對(duì)表面粗糙度的影響(vc=20 m/min、fz=0.04 mm/齒)

如圖3所示，當(dāng)線速度=20 m/min時(shí)，隨著切深從0.1 mm增大到0.5 mm，表面粗糙度由0.11 μm增大到0.25 μm，變化幅度較大。這主要是因?yàn)樵谇猩钤黾訒r(shí)，切削力會(huì)隨之增大，加工過(guò)程中刀具與試件之間的摩擦、擠壓作用會(huì)隨之增強(qiáng)，銑削表面的材料塑性變形程度也會(huì)提高，進(jìn)而影響加工表面粗糙度。

選取5組銑削參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察試件加工表面的微觀形貌，結(jié)果如圖4所示?？芍涸谒x取的參數(shù)條件下，線速度和每齒進(jìn)給量對(duì)于加工表面微觀形貌影響不明顯，但是當(dāng)切深從0.1 mm增加到0.5 mm時(shí)，加工表面上的塑性隆起痕跡變得明顯，說(shuō)明隨著切深的增加，加工表面形成的塑性變形逐漸增強(qiáng)。

圖4 銑削參數(shù)對(duì)加工表面微觀形貌的影響

2.2 加工表面顯微硬度

根據(jù)表3中的表面完整性指標(biāo)得出，在線速度增大過(guò)程中，加工表面顯微硬度變化很小。當(dāng)線速度=20 m/min時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量從0.04 mm/齒增加到0.09 mm/齒，表面顯微硬度由474.8HV增加到491.3HV。該結(jié)果表明，對(duì)于高溫合金GH4169而言，球頭刀銑削加工已經(jīng)起到了加工硬化效果。加工表面顯微硬度增加主要是因?yàn)槊魁X進(jìn)給量增大的同時(shí)，加工過(guò)程中的單次切除量增加，刀具與試件加工表面的擠壓明顯增強(qiáng)，加工表面的塑性變形程度增大，進(jìn)而導(dǎo)致加工表面顯微硬度的增大。當(dāng)線速度=20 m/min時(shí)，隨著切深從0.1 mm增加至0.5 mm，表面顯微硬度從463.4HV增加至535.5HV。這主要是因?yàn)殡S著切深的增加，材料表面在銑削過(guò)程中所經(jīng)受的塑性變形會(huì)更激烈，刀具與試件加工表面的擠壓摩擦作用更強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致材料表面顯微硬度增大。

2.3 加工表面殘余應(yīng)力

由表3可知：在選取的加工參數(shù)條件下，加工表面殘余應(yīng)力均呈現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，并且隨著切深的增加，殘余拉應(yīng)力的數(shù)值出現(xiàn)減小的趨勢(shì)；當(dāng)切深=0.2 mm時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量從0.04 mm/齒增加至0.09 mm/齒，殘余拉應(yīng)力由338.9 MPa減小至318.5 MPa；當(dāng)每齒進(jìn)給量=0.04 mm/齒時(shí)，隨著切深由0.1 mm增加至0.5 mm，殘余拉應(yīng)力由328.6 MPa減小至219.3 MPa。

形成以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因是，銑削力會(huì)隨著每齒進(jìn)給量的增大而增大，同時(shí)刀具和試件表面間的擠壓刮擦更加激烈，會(huì)使得材料加工表面的塑性變形程度增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力呈現(xiàn)出向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。對(duì)比不同切深時(shí)的殘余拉應(yīng)力，亦是如此，在切深的增加過(guò)程中，刀具對(duì)試件的擠壓刮擦作用會(huì)逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致材料的塑性變形程度增大，加工表面殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

2.4 表面塑性變形

加工表面硬化程度和加工表面塑性變形程度有直接聯(lián)系。針對(duì)加工表面顯微硬度差異最大的兩組試件，垂直于銑削線速度方向進(jìn)行表面組織預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)參數(shù)為=20 m/min，=0.1 mm，=0.04 mm/齒時(shí)，試件的加工表面塑性變形層厚度約為29 μm；當(dāng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為=20 m/min，=0.5 mm，=0.04 mm/齒時(shí)，試件的加工表面塑性變形層厚度約為39 μm。結(jié)果表明，隨著切深增加，加工表面塑性變形層厚度明顯增加。切深對(duì)加工表面塑性變形層厚度的影響規(guī)律，是加工表面殘余拉應(yīng)力和加工表面顯微硬度隨切深的增大而減小的主要原因。

圖5 銑削參數(shù)對(duì)加工表面塑性變形層的影響

3 結(jié)論

(1)在給定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，高溫合金GH4169銑削表面進(jìn)給方向上的表面粗糙度的范圍為0.08～0.30 μm，遠(yuǎn)小于切寬方向上的表面粗糙度；當(dāng)每齒進(jìn)給量和切深增加時(shí)，加工表面粗糙度會(huì)隨之增大，而線速度對(duì)表面粗糙度的影響非常小。

(2)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)于高溫合金GH4169加工表面的表面顯微硬度有明顯的影響。當(dāng)切深或者每齒進(jìn)給量增加時(shí)，加工表面顯微硬度會(huì)隨之增大。利用球頭刀銑削加工后，高溫合金GH4169的加工表面均呈現(xiàn)出殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)切深或者每齒進(jìn)給量增大時(shí)，表面殘余拉應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)出向殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。主要原因是加工表面塑性變形層的厚度會(huì)隨著切深和每齒進(jìn)給量的增大而增加。

(3)結(jié)合表面完整性指標(biāo)及其對(duì)試件疲勞壽命的影響規(guī)律和機(jī)制，采用球頭刀銑削加工的方式，且進(jìn)給方向平行于試件承載方向，并在保證加工表面粗糙度和輪廓度精度滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，選取GH4169材料的精加工參數(shù)為銑削線速度=20 m/min，每齒進(jìn)給量=0.09 mm/齒，切深=0.5 mm時(shí)，試件具有較好的抗疲勞性能。