1、引言

隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的高速發(fā)展,渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的加工性能要求越來(lái)越高,其工作性能與可靠性主要取決于高溫條件下零部件對(duì)熱沖擊、熱腐蝕以及復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境的抵抗程度。高溫合金是一種耐高溫材料,最高可以承受1000℃以上的高溫,目前其使用溫度已經(jīng)達(dá)到合金熔點(diǎn)的85%~90%。高溫合金在高溫下的強(qiáng)度以及抗氧化、耐腐蝕能力較一般合金更優(yōu),因而被廣泛應(yīng)用在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、渦輪葉片和燃燒室等關(guān)鍵部位[1,2]。

就材料加工難易程度而言,由于高溫合金的高溫強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率低、塑性高以及韌性大,切削時(shí)的切削溫度高、切削力大,且容易產(chǎn)生加工硬化,使刀具發(fā)生磨料、黏結(jié)和擴(kuò)散等多種形式磨損,導(dǎo)致刀具壽命快速降低[1,3],以45鋼的相對(duì)切削加工性K_v=1為基準(zhǔn),鎳基高溫合金的Kv只有0.08~0.2[4]。

相關(guān)學(xué)者針對(duì)高溫合金的切削加工開(kāi)展了大量研究。WassilaFrifita等[5]在研究硬質(zhì)合金刀具切削Inconel718高溫合金時(shí),利用方差分析、反應(yīng)曲面法以及期望函數(shù)法對(duì)切削參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究,得到刀尖半徑是影響切削力的重大指標(biāo)、增大切削速度可以降低切削力等結(jié)論,優(yōu)化得到的最優(yōu)切削參數(shù)組合為刀尖半徑re=0.4mm、切削速度v_c=70m/min和進(jìn)給量f=0.09mm/r。LiaoY.S.等[6]通過(guò)利用硬質(zhì)合金立銑刀對(duì)Inconel718高溫合金進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),低速槽銑的問(wèn)題在于切削溫度高及加工硬化嚴(yán)重,造成刀具切削刃崩刃與斷裂;在中等切削速度下,刀具的壽命有所提高;高速切削加工時(shí),由于切削溫度過(guò)高使得刀具產(chǎn)生塑性變形。

?agr?VakkasY?ld?r?m等[7]利用3種陶瓷刀具,分別在干式、濕式和MQL三種不同冷卻/潤(rùn)滑條件下對(duì)高溫合金Waspaloy進(jìn)行切削加工表明,濕式加工的刀具磨損最為嚴(yán)重,而使用MQL則獲得了最好的表面粗糙度與最低的刀具磨損量。MingWeiwei等[8]研究了Sialon陶瓷銑削FGH96高溫合金時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削響應(yīng)與磨損機(jī)理的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度超過(guò)315m/min時(shí)切削合力會(huì)下降;Sialon陶瓷更適合FGH96高溫合金的粗加工,磨損形式主要為后刀面的黏附磨損以及前刀面的崩刃與材料剝落。計(jì)偉等[9]研究了PCBN刀具在切削GH706高溫合金時(shí)的刀具磨損形式,分析了不同磨損形式產(chǎn)生的原因,并揭示了PCBN刀具的失效歷程、CBN含量和結(jié)合劑種類對(duì)刀具磨損的影響。

上述研究有助于理解高溫合金的材料特性以及切削高溫合金時(shí)的刀具磨損規(guī)律,并得到用于加工高溫合金的切削刀具材料,但存在以下問(wèn)題：一是忽視了切削過(guò)程中高溫對(duì)刀具材料特性的影響;二是缺少簡(jiǎn)單有效的刀具切削性能與材料性能匹配程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)這兩點(diǎn)問(wèn)題,本文開(kāi)展了基于材料高溫硬度的刀具材料與切削參數(shù)優(yōu)選研究,為加工高溫合金提供一種簡(jiǎn)便、可行的刀具及切削參數(shù)優(yōu)選方案。

2、刀具材料

2.1幾種常用刀具材料的切削磨損實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)機(jī)床采用Mazak數(shù)控五軸加工中心,工件材料為GH4169高溫合金,刀片材料分別為硬質(zhì)合金與陶瓷,其中,硬質(zhì)合金材料選用兩種型號(hào),記為硬質(zhì)合金A與硬質(zhì)合金B(yǎng);陶瓷材料選用Sialon陶瓷與Al2O3晶須陶瓷,記為陶瓷A與陶瓷B。實(shí)驗(yàn)所用刀片型號(hào)見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程不采用冷卻液,切削參數(shù)見(jiàn)表2,硬質(zhì)合金刀具的金屬去除量固定為6000mm³,陶瓷刀具固定為10000mm³,后刀面磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VBmax=0.5mm。實(shí)驗(yàn)采用紅外熱像儀測(cè)量切削溫度,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采用KeyenceVHX-5000超景深數(shù)碼顯微鏡測(cè)量后刀面磨損量（見(jiàn)圖1和圖2)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同刀具在加工GH4169高溫合金時(shí)的切削溫度與后刀面磨損情況,陶瓷與硬質(zhì)合金在不同切削速度下的切削溫度見(jiàn)圖3和圖4,硬質(zhì)合金A與陶瓷A的后刀面磨損形貌見(jiàn)圖5和圖6。

其中,圖5a~圖5f分別是硬質(zhì)合金A在切削速度為30~130m/min時(shí)的后刀面磨損形貌,圖6a~圖6e分別為Sialon陶瓷在切削速度200~600m/min時(shí)的后刀面磨損形貌。

2.2刀具與工件材料的高溫硬度

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到硬質(zhì)合金、陶瓷刀具材料以及GH4169高溫合金在400℃~900℃下的高溫硬度,并查閱文獻(xiàn)[10]得到Al2O3晶須陶瓷的高溫硬度,整理數(shù)據(jù)后得到不同材料溫度與硬度的關(guān)系（見(jiàn)圖7)。

可以看出,隨著溫度上升,硬質(zhì)合金的高溫硬度并不穩(wěn)定,在測(cè)量溫度范圍內(nèi),高溫硬度衰減較快,其中,硬質(zhì)合金1在500℃前硬度便開(kāi)始顯著下降,而500℃后,兩種硬質(zhì)合金的硬度大小與變化趨勢(shì)幾乎一致,并在600℃后硬度快速衰減。陶瓷刀具的高溫硬度較為穩(wěn)定,在超過(guò)700℃的高溫下仍能保持良好的高溫硬度,溫度從常溫變化到900℃期間,硬度下降不超過(guò)6GPa。高溫合金材料在700℃前的高溫硬度下降不明顯,在700℃后硬度才開(kāi)始快速下降,符合其材料本身的耐高溫特性,高溫下仍具有接近其常溫狀態(tài)下的硬度,對(duì)切削加工造成了很大困難。

2.3刀具材料選擇

根據(jù)不同參數(shù)下切削溫度的測(cè)量結(jié)果以及刀具磨損情況,得到不同溫度下硬質(zhì)合金與陶瓷的后刀面磨損量（見(jiàn)圖8和圖9)。

從圖8可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)切削溫度超過(guò)600℃時(shí),兩種硬質(zhì)合金的磨損量均迅速增加并達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。分析原因可知：圖7中,當(dāng)切削溫度超過(guò)600℃時(shí),兩種硬質(zhì)合金的硬度快速衰減,而當(dāng)切削溫度到達(dá)700℃時(shí),兩者的硬度均已不及常溫時(shí)的一半。而高溫合金的硬度在600℃~700℃范圍內(nèi)下降不明顯,由于切削時(shí)的高溫環(huán)境引起硬質(zhì)合金材料性能下降,而高溫合金在此溫度區(qū)間并未明顯軟化,最終導(dǎo)致刀具磨損量的快速增長(zhǎng)。

圖9為兩種陶瓷刀具在不同溫度下加工高溫合金時(shí)的后刀面磨損量。可以看出,陶瓷刀具在測(cè)量溫度區(qū)間的磨損量均沒(méi)有達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn),并且在切削溫度超過(guò)700℃后獲得了最佳后刀面磨損量。根據(jù)圖7可知,陶瓷刀具的高溫硬度在整個(gè)溫度區(qū)間的變化較為平緩,在溫度超過(guò)700℃后仍具有較好的高溫硬度,約是此溫度下硬質(zhì)合金的兩倍;而當(dāng)溫度超過(guò)700℃后,高溫合金開(kāi)始有明顯的軟化趨勢(shì),由于陶瓷刀具優(yōu)越的高溫性能以及高溫合金軟化的綜合作用,使得后刀面磨損量快速下降。

綜上所述,在切削溫度不高于600℃時(shí)可以選用硬質(zhì)合金刀具加工高溫合金,高于600℃時(shí)不宜采用硬質(zhì)合金刀具;陶瓷刀具在所有溫度段下均有較小的后刀面磨損量,最佳切削溫度為700℃以上時(shí)采用陶瓷刀具加工高溫合金的效果最佳。

3、切削參數(shù)選擇

圖10與圖11為硬質(zhì)合金刀具與陶瓷刀具在不同切削速度下加工GH4169高溫合金時(shí)的后刀面磨損趨勢(shì)。由圖10可以發(fā)現(xiàn),兩種硬質(zhì)合金刀具的后刀面磨損量均隨著切削速度的增加而增加,并在切削速度超過(guò)90m/min時(shí)刀具失效,而在圖3中,切削速度為90m/min時(shí)對(duì)應(yīng)的切削溫度約為600℃,且在上述結(jié)論中,由于硬質(zhì)合金材料的高溫性能不佳,采用硬質(zhì)合金加工高溫合金時(shí)的切削溫度不宜超過(guò)600℃。因此,在采用硬質(zhì)合金加工高溫合金時(shí),切削速度不宜高于90m/min,若要提高切削效率,應(yīng)在不增加切削速度的前提下,適當(dāng)提高進(jìn)給量與切削深度。

圖11中陶瓷刀具在200~600m/min的切削速度下具有較低的后刀面磨損量,并且在切削速度大于500m/min時(shí)磨損量最小。分析原因如下：圖4中,當(dāng)切削速度為500m/min時(shí)對(duì)應(yīng)的切削溫度為700℃左右,根據(jù)上述結(jié)論可知,陶瓷在此溫度下具有良好的高溫硬度且高溫合金的軟化程度較好,從而獲得較小的刀具磨損量。因此在采用陶瓷刀具加工高溫合金時(shí),宜在切削速度大于500m/min的高速切削條件下進(jìn)行加工。

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),陶瓷刀具在切削速度與金屬去除量均高于硬質(zhì)合金的情況下,仍具有低于硬質(zhì)合金的磨損量。硬質(zhì)合金刀具在切削溫度超過(guò)600℃后高溫硬度快速衰減,從而導(dǎo)致切削性能不足,無(wú)法通過(guò)增加切削速度來(lái)提高加工效率,所以加工策略是采用較低的切削速度,并適當(dāng)增加進(jìn)給量與切削深度,以達(dá)到減緩刀具磨損速度、提高加工效率的目的。而陶瓷刀具更適合高速切削加工高溫合金,研究發(fā)現(xiàn),其切削效率約是硬質(zhì)合金的10倍,陶瓷材料在700℃以上仍具有較好的高溫硬度,隨著切削溫度上升,在高溫合金材料不斷軟化的同時(shí),陶瓷刀具還能夠保持良好的材料性能,因而能夠在較高的切削速度下加工高溫合金。

4、結(jié)語(yǔ)

綜上所述,針對(duì)高溫合金加工問(wèn)題,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到以下結(jié)論。

（1)隨著溫度的上升,硬質(zhì)合金的高溫硬度衰減很快,而陶瓷的高溫硬度下降平穩(wěn),在較高的溫度下仍能保持較好的材料性能;高溫合金工件材料在小于700℃時(shí)高溫硬度下降不明顯,超過(guò)700℃后才出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),這也體現(xiàn)了高溫合金的難切削加工性。

（2)當(dāng)切削溫度不高于600℃時(shí),可采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工;當(dāng)切削溫度高于600℃時(shí),硬質(zhì)合金的高溫硬度快速衰減會(huì)導(dǎo)致切削性能不足,而陶瓷刀具在高溫下仍具有良好的高溫性能,在測(cè)量溫度區(qū)間有較低的刀具磨損量,且最佳切削溫度為700℃以上,是加工高溫合金的理想刀具材料。

（3)就切削用量的選擇而言,在加工高溫合金時(shí),硬質(zhì)合金刀具的切削速度不宜高于90m/min,若要提高切削效率,應(yīng)在不增加切削速度的前提下適當(dāng)增加進(jìn)給量與切削深度;而陶瓷刀具在切削效率遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金的前提下,刀具磨損較小,應(yīng)采用切削速度高于500m/min的加工策略,以實(shí)現(xiàn)高溫合金的高效、優(yōu)質(zhì)加工。

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第一作者:于錢,碩士研究生,江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,212013 江蘇省鎮(zhèn)江市

First Author:Yu Qian,Postgraduate,School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China

通信 作 者: 王 樹(shù) 林, 教 授, 江 蘇 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院,212013 江蘇省鎮(zhèn)江市

Corresponding Author:Wang Shulin,Professor,School of Me-chanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu212013,China

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