高溫合金高速精銑表面完整性建模及切削參數優化研究

孫 濤 梁 晉 李登萬 魏 斌 郭 楠

1.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗實，西安,7100492.四川工程職業技術學院四川省高溫合金切削工藝技術工程實驗室，德陽,618000

高溫合金高速精銑表面完整性建模及切削參數優化研究

孫 濤1,2梁 晉1李登萬2魏 斌1郭 楠1

1.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗實，西安,7100492.四川工程職業技術學院四川省高溫合金切削工藝技術工程實驗室，德陽,618000

基于均勻設計法設計了含定性因素混合水平的高速精銑試驗方案，用最優回歸子集法建立了切削力、切削溫度、表面完整性的多元二次回歸模型，回歸效果顯著；重點分析了切削條件對表面完整性的影響規律；基于回歸模型建立了高溫合金高速精銑切削參數多目標優化模型，驗證結果顯示模型具有較高的預測精度。研究結果對高溫長壽命工作下的試件表面質量控制和切削參數優化具有指導性意義。

高溫合金；高速精銑；表面完整性；參數優化；均勻設計

0 引言

航空發動機是國家綜合國力、工業基礎和科技水平的集中體現，高溫合金是制造航空發動機熱端部件的基本材料[1]，要求高溫合金具有優良的高溫強度、熱穩定性及抗熱疲勞性能[2-3]。

對高溫合金切削表面完整性和工藝參數優化的研究一直受到重視。JOSHI等[4]給出了銑削鎳基高溫合金UDIMET720的表層殘余應力和表面粗糙度的經驗公式。SUBHAS等[5]考察了切削速度、進給量、切削深度、刀尖半徑和刀具前角等參數對銑削IN-718時的殘余應力、刀具壽命、表面粗糙度和尺寸精度的影響，建立了統一的經驗公式。李波[6]研究了高速銑削鎳基高溫合金GH4169時，銑削參數對表面粗糙度、加工表面硬化與殘余應力的影響，并建立了表面粗糙度的指數形式經驗公式。LIU等[7]對TiAlN涂層硬質合金刀具高速銑削GH4169高溫合金進行研究，建立了以最大材料切除率為優化目標、表面粗糙度為約束條件的切削參數優化模型，并用改進遺傳算法對模型進行了求解，基于優化組合切削條件獲得的試件表面滿足了表面粗糙度要求。MAIYAR等[8]基于田口法設計了Inconel718的高速端銑試驗，建立了考慮切削速度、進給速度和切削深度等切削參數的多重品質特性且以表面粗糙度和材料切除率為目標的優化模型，并用灰關聯度來估算參數效應，用方差分析法確定參數顯著性，試驗結果表明切削過程得到了有效改善。

綜上可知，許多學者已對多種高溫合金的表面完整性建模及切削參數優化做了大量卓有成效的工作，但主要關注材料的表面粗糙度、表層加工硬化和表層殘余應力等的建模及與此相關的切削參數優化。高溫合金在切削時因劇烈的塑性變形和強烈的摩擦會產生大量的切削熱，加之其熱導率很小，極易使狹小切削區域內的切削溫度升高，最高可達1000 ℃[3]。在高溫條件下，周圍空氣介質中的氮等元素很容易侵入切削界面，與試件材料中的Ti等金屬元素形成氮化物夾雜物。研究表明[9]，這些氮化物夾雜物從兩個途徑降低材料的抗疲勞性能：一是這些尺寸不大的夾雜物硬而脆，帶有尖銳棱角，在長期使用中易導致應力集中，成為疲勞裂紋源[10-11]；二是易從材料表層開始集聚，消耗部分金屬鈦，減少γ′相的含量，減弱組織的穩定性，同時使表層成為裂紋源萌生處[12]。由此，為了保證高溫合金的蠕變、持久及拉伸延伸率等性能，在冶煉或鍛造過程中，氮的含量應控制在0.02%以下[13-16]，但卻很少有研究關注如何從切削工藝角度降低氮元素含量對表面質量的影響，將高速精銑時材料表層氮元素含量納入到表面完整性控制指標中。

高速銑削是斷續切削過程，工件受切削刃周期性沖擊、塑形變形和高溫合金切削時冷硬現象等多種因素的綜合作用，通過解析法所建立的表面完整性模型往往與真實情況有較大差別，很難達到優化切削工藝參數的目的[17]。由此，本文基于現場的切削試驗數據，研究切削參數對高溫合金高速精銑的影響規律，建立切削力、切削溫度和表面完整性經驗回歸模型和高速精銑參數多目標優化模型，以期對高溫長壽命工作狀態下的試件材料高速精銑的表面質量控制和工藝參數優化選用有所幫助。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗條件

試驗材料為德國牌號NiCr16TiAl高溫合金，利用OxfordInstruments公司的Foundry-MasterSmart直讀式光譜儀檢測該合金的化學成分，如表1所示。試樣如圖1所示，試驗時沿凸臺上表面以干式無冷卻順銑方式銑削。試驗刀具選擇德國WIDIA牌刀片和株洲鉆石牌刀片，刀片代號分別為XDPT110408(12/16)PDSRMM和APKT11T308(12/16) -PM，如圖2所示；試驗所用機床為大連機床廠生產的VDL-850D立式加工中心，如圖3所示。

表1 高溫合金NiCr16TiAl的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of NiCr16TiAl superalloy(mass fraction) %

圖1 高速精銑試樣Fig.1 Sample for high-speed milling test

(a)株洲鉆石牌刀桿及銑削可轉位刀片

(b)德國WIDIA牌刀桿及銑削可轉位刀片圖2 高速精銑試驗刀桿及刀片Fig.2 Toolbar and movable milling blades used for high-speed milling tests

用Kistler9257B三分量測力儀檢測切削力，用固定式VH-480HS紅外熱像儀檢測切削溫度，用SURFCOM 480A粗糙度儀檢測表面粗糙度，用X-350A型X射線應力測定儀檢測表層殘余應力，用HR-150A手動洛氏硬度計檢測表層硬度，用ONH836氧氮氫分析儀檢測表層氮元素。試驗設計與數據處理使用均勻設計軟件5.0版。

圖3 試驗現場Fig.3 High-speed milling test site

1.2 試驗方法

用均勻設計軟件[18]反復優化運算，生成中心化偏差最小的含定性因素的均勻混合水平表，如表2所示。精銑試驗選定的定量因素有切削速度vc、每齒進給量fz、側吃刀量ae、背吃刀量ap和刀尖半徑rε，定性因素為刀片材料A，A是偽變量，WIDIA刀片用A1(A1=1，A2=0)表示，株洲鉆

石刀片用A2(A1=0，A2=1)表示。切削分力Fx、Fy、Fz方向如圖3所示，取每次試驗的最大值，切削力Fr為三分力合力；隨工件進給，用紅外熱像儀不間斷記錄切削區域溫度，取每次試驗熱像儀記錄到的最高溫度作為切削溫度t，t值是整個切削區域的平均溫度；表面粗糙度Ra、表層殘余應力σr和表層硬度HR在走刀結束后取下工件沿進給方向測量5次取平均值。由于切屑很薄，切屑中氮元素含量理論上和已加工表面的氮元素含量(質量分數)wN相同,故每次試驗完畢后，立即收集產生的切屑分裝在3個密封袋中再進行檢測，3次分析后取平均值。

表2 高溫合金高速精銑均勻設計試驗及試驗結果Tab.2 Uniform design test and results of super alloy in high-speed milling

2 建立回歸模型

2.1 多元二次回歸方程

Fr=565.31+1347.43(fz-0.15)+19.57(rε-1.19)+

42140.34(fz-0.15)2-6670.00(fz-0.15)(ap-

0.75)-23.97(ae-7)(rε-1.19)-30.18A1(ae-7)+

1222.18(ap-0.75)(rε-1.19)+987.31A1(ap-0.75)

t=181.88-246.68(fz-0.15)-1.31(ae-7)+

151.70(ap-0.75)+17.52A1-1.08(vc-45)(ae-

7)+14.07(vc-45)(ap-0.75)+10.08(vc-

45)(rε-1.19)+99.43(ae-7)(ap-0.75)+

10.75A1(ae-7)+70.31A1(ap-0.75)

Ra=0.8840+6.8263(fz-0.15)+0.0432(ae-7)-

0.5952(rε-1.19)-0.1200A1-0.0079A1(vc-65)+

0.3132(fz-0.15)(ae-7)-2.4694A2(fz-0.15)

σr=88.2486+11.5664(ae-7)+278.5508(ap-

0.75)-43.1478(rε-1.19)+70.5728A1-

2541.2446(fz-0.15)(ap-0.75)+

612.2189A2(fz-0.15)+13.6144A2(ae-7)-

138.7151(ap-0.75)(rε-1.19)

HR=52.4203-0.6733A1+1.7900(vc-45)(fz-

0.15)-1.2846(ae-7)(ap-0.75)-

2.7694A1(ap-0.75)

wN=0.0729-0.0134A1-0.0184(vc-45)(rε-

1.19)+14.8150(fz-0.15)2+5.0021(fz-

0.15)(ap-0.75)+0.2738A2(fz-0.15)-

0.0161(ae-7)(ap-0.75)-0.3067A1(ap-0.75)

目前反映切削條件與切削力、切削溫度之間關系最充分且公認的是指數公式[19]，由試驗數據經非線性擬合獲得切削力Fr和切削溫度t的冪函數經驗模型為

切削力Fr和切削溫度t的方差分析F值分別為2.4948和2.5483，說明模型可靠性一般；R2值分別為0.6752和0.6799，都小于1，顯著性一般，說明該模型在試驗參數范圍內預測精度不高。

2.2 回歸顯著檢驗

對Fr、t、Ra、σr、HR和wN這6個因變量的方差分析結果見表3，可見它們的均方與平方和的殘差都很小。若取顯著水平為α=0.03，查F分布表則有臨界值F0.03(10,1)=672.546。6個因變量的F值遠大于672.546，回歸效果非常顯著。除HR的相關系數R2=0.9998外，其他因變量的相關系數R2均為1，表明6個因變量與自變量均密切相關。

表3 方差分析結果Tab.3 Analysis of variance

3 試驗參數對高速精銑表面完整性的影響

如圖4所示，fz=0.15 mm,ae=7 mm,ap=0.75 mm,rε=1.2 mm，在高溫合金高速精銑試驗參數變化范圍內，使用刀片A1切削時，隨著vc增大，Ra線性減小；使用刀片A2切削時，隨著vc增大，Ra保持不變。無論使用刀片A1或A2，隨著vc增大，表層硬度HR都緩慢線性減小，表層氮元素含量wN也都緩慢線性減小，σr為拉應力且幾乎無變化，說明在試驗參數范圍內,vc對σr影響不顯著，2.1節中σr的回歸方程可為佐證，另外，說明σr變化規律比較復雜，建立的回歸模型只在一定范圍內適用，這與文獻[20-21]的描述相吻合。

(a)切削速度對表面粗糙度的影響 (b)切削速度對表層殘余應力的影響

(c)切削速度對表層硬度的影響 (d)切削速度對表層氮元素含量的影響圖4 切削速度對表面完整性的影響Fig.4 Effect of cutting speed on surface integrity

如圖5所示，vc=45 m/min,ae=7 mm,ap=0.75 mm,rε=1.2 mm，在高溫合金高速精銑試驗參數變化范圍內，使用刀片A1切削時，隨著fz增大，σr為拉應力且幾乎無變化，表層硬度HR保持不變；使用刀片A2切削時，隨著fz增大，表面殘余拉應力σr線性增大，表層硬度HR線性減小。無論使用刀片A1或A2，隨著fz增大，Ra都線性增大，表層氮元素含量wN都以二次曲線方式先減小后增大。

(a)每齒進給量對表面粗糙度的影響 (b)每齒進給量對表層殘余應力的影響

(c)每齒進給量對表層硬度的影響 (d)每齒進給量對表層氮元素含量的影響圖5 每齒進給量對表面完整性的影響Fig.5 Effect of feed per tooth on surface integrity

如圖6所示，vc=45 m/min,fz=0.15 mm，ap=0.75 mm,rε=1.2 mm，在高溫合金高速精銑試驗參數變化范圍內，使用刀片A1切削時，隨著ae增大，Ra線性增大，表層殘余拉應力σr線性增大，表層硬度線HR增大，表層氮元素含量wN保持不變；使用刀片A2切削時，隨著ae增大，Ra線性增大，σr線性增大且由壓應力轉變為拉應力，表層硬度HR線性減小，表層氮元素含量wN緩慢線性下降。

(a)側吃刀量對表面粗糙度的影響 (b)側吃刀量對表層殘余應力的影響

(c)側吃刀量對表層硬度的影響 (d)側吃刀量對表層氮元素含量的影響圖6 側吃刀量對表面完整性的影響Fig.6 Effect of radial cutting depth on surface integrity

(a)背吃刀量對表面粗糙度的影響(b)背吃刀量對表層殘余應力的影響

(c)背吃刀量對表層硬度的影響(d)背吃刀量對表層氮元素含量的影響圖7 背吃刀量對表面完整性的影響Fig.7 Effect of axial cutting depth on surface integrity

如圖7所示，vc=45 m/min,fz=0.15 mm,ae=7 mm,rε=1.2 mm，在高溫合金高速精銑試驗參數變化范圍內，使用刀片A1切削時，隨著ap增大，Ra保持不變，表面殘余拉應力σr線性增大，表層硬度HR和表層氮元素含量wN線性減小；使用刀片A2切削時，隨著ap增大，Ra緩慢線性增大，表面殘余拉應力σr線性增大，表層硬度HR和表層氮元素含量wN保持不變。

如圖8所示，vc=45 m/min,fz=0.15 mm,ae=7 mm,ap=0.75 mm，在高溫合金高速精銑試驗參數變化范圍內，使用刀片A1或A2切削時，隨著rε增大，Ra和表面殘余拉應力σr都線性減小，表層硬度HR以二次曲線方式先減小后增大，表層氮元素含量wN以二次曲線方式先緩慢下降后緩慢上升。

(a)刀尖半徑對表面粗糙度的影響(b)刀尖半徑對表層殘余應力的影響

(c)刀尖半徑對表層硬度的影響(d)刀尖半徑對表層氮元素含量的影響圖8 刀尖半徑對表面完整性的影響Fig.8 Effect of tooth nose radius on surface integrity

綜上可知，刀片材料對表面完整性各指標的影響不完全一致，說明了刀具材料與試件材料匹配的重要性；高溫合金表面殘余應力主要是拉應力，這對高溫合金在高溫狀態下長時間保持力學性能是有害的[22]。試驗條件的變化會影響試件材料的塑性變形和切削溫度改變，進而導致塑性變形產生的強化效應和溫度引起的軟化效應相互競爭，最終影響高溫合金精銑時表面完整性指標Ra、σr、HR和wN的變化。

4 高速精銑切削參數多目標優化

4.1 優化變量

將切削速度vc、每齒進給量fz、側吃刀量ae、背吃刀量ap、刀尖半徑rε和刀片材料A作為優化變量，6個優化變量可看作6維歐氏空間E6中的一個點，相應優化變量可表示為

x=(vc,fz,ae,ap,rε,A)=

(x1,x2,x3,x4,x5,x6)∈E6

4.2 目標函數

選定的高速精銑切削參數優化目標有：切削效率S′[18]、切削力Fr、切削溫度t、表面粗糙度Ra、表面殘余應力σr、表層硬度HR、表層氮元素含量wN，且可表示如下：

f(x)=(f1(x),f2(x),…，f7(x))T

f1(x)=S′=f1(vc,fz,ae)=4×10-5vcfzae

f2(x)=Fr=f2(vc,fz,ae,ap,rε,A)

f3(x)=t=f3(vc,fz,ae,ap,rε,A)

f4(x)=Ra=f4(vc,fz,ae,ap,rε,A)

f5(x)=σr=f5(vc,fz,ae,ap,rε,A)

f6(x)=HR=f6(vc,fz,ae,ap,rε,A)

f7(x)=wN=f7(vc,fz,ae,ap,rε,A)

4.3 約束函數

表面粗糙度Ra、表面殘余應力σr、表層硬度HR、表層氮元素含量wN通過確定取值范圍，由目標函數轉化為約束函數，記為

gi(vc,fz,ae,ap,rε,A)=gi(x)≤0

i=1,2,…

則Ra、σr、HR、wN分別表示為g1(x)、g2(x)、g3(x)、g4(x)。

4.4 優化數學模型

若記：優化目標函數為f(x)=(f1(x),f2(x),f3(x))T，優化約束函數為g(x)=(g1(x),g2(x),g3(x),g4(x))，則約束空間為R={x∈E6|g(x)≤0}。從生產實際出發，切削效率S′優化目標取極大值、切削力Fr和切削溫度t優化目標取極小值，則高速精銑參數優化模型可表示為

工程實際中，由工藝技術要求給定表面粗糙度、表面殘余應力、表層硬度和表層氮元素含量取值范圍，即a≤Ra≤b、σr≤c、HR≤d、wN≤e。為便于應用，可將模型具體化表示為

min(-kS′+lFr+mT)

a≤Ra≤bσr≤cHR≤dwN≤e

30≤vc≤60 0.1≤fz≤0.2

2≤ae≤12 1.0≤ap≤2.0

0.8≤rε≤1.6

其中，k，l，m為權系數，可根據多個目標綜合優化的側重而確定具體值。

4.5 優化模型驗證

以圖1中試件為驗證件，要求表面粗糙度0.8 μm≤Ra≤1.6 μm，表面殘余應力σr≤300 MPa，表層硬度HR≤55HRA，希望切削效率盡可能高。切削過程中材料表層氮元素含量可接受水平還無參考資料，綜合考慮，選定表層氮元素含量wN≤0.2%。針對上述驗證要求確定參數如下：a=0.8，b=1.6，c=300，d=55，e=0.2。

在高速精銑加工中以表面質量為先，兼顧切削效率和其他指標，通過調試三個權系數k、l、m，在均勻設計軟件上進行優化運算，三個權系數最終取值為k=0.4，l=0.4，m=0.2。優化結果顯示WIDIA刀片A1和株洲鉆石刀片A2的切削參數優化組合分別為(41.25,0.1188,12,0.5,0.8)和(60,0.1219,12,0.5,0.95)。因刀尖半徑受尺寸系列(rε=0.8,1.2,1.6)限制，需對刀片A2的刀尖半徑進行圓整，然后再做預測，其最終優化條件為(60,0.1219,12,0.5,0.8)。將最終優化切削條件得到的預測結果與試驗驗證結果列出，如表4所示。

表4 高溫合金精銑參數優化及切削試驗驗證結果Tab.4 Results of high-speed milling parameter optimization and validation for superalloy

從預測結果看，WIDIA刀片的表面切除率S′=0.002 34m2/min，加工一個試件需要85s；株洲鉆石刀片的S′=0.005 35m2/min，加工一個試件需要37s。由表4可發現，除切削效率外的其他目標函數預測值與驗證值的相對誤差都在16%以內，說明優化模型預測精度較高；WIDIA刀片的切削力與切削溫度預測值偏小，而株洲鉆石刀片的表層硬度和表層氮元素含量預測值偏大；表面粗糙度、表面殘余應力和表層硬度的驗證值都在工藝技術要求范圍內；株洲鉆石刀片切削時切削力偏大且表層氮元素含量超出工藝技術要求，可以考慮切削時加注潤滑性能為主的切削液。

5 結論

(1)基于均勻設計法設計了含定性因素混合水平的高速精銑試驗，并用最優回歸子集法建立了各因變量二次回歸模型，回歸效果非常顯著。

(2)在高溫合金高速精銑試驗參數范圍內，刀片材料是影響表面完整性的重要因素，因此選擇刀具材料時應注意與試件材料的匹配性。

(3)在高溫合金高速精銑試驗參數范圍內，試件表面殘余應力以拉應力為主，拉應力的存在會降低試件的抗疲勞及抗應力腐蝕的性能。

(4)將表層氮元素含量引入表面完整性概念中，并將其作為高速精銑切削參數多目標優化的目標函數。驗證結果顯示優化模型的預測誤差在16%左右，說明優化模型具有較高的預測精度。

(5)在高溫合金高速精銑試驗參數范圍內，如何通過優化工藝條件進一步降低表層氮元素含量，尤其是潤滑條件的影響值得深入研究。

[1] 梁春華，凌瑤．未來大飛機發動機的發展趨勢[J]．航空制造技術，2011(3)：26-29． LIANG Chunhua, LING Yao. Future Development Trend of Large Commercail Aircraft Engines[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011(3):26-29.

[2] 張鵬，朱強，秦鶴勇，等．航空發動機用耐高溫材料的研究進展[J]．材料導報，2014，28(11)：27-31． ZHANG Peng, ZHU Qiang, QIN Heyong, et al. Research Processs of High Temperature Materials for Aero-engines[J]. Materials Review, 2014, 28(11)：27-31.

[3] 鄭文虎．難切削材料加工技術[M]．北京：國防工業出版社，2008：157-158. ZHENG Wenhu. Processing Technology of Difficult-to-cut Materials[M]．Beijing: National Defense Industry Press, 2008:157-158.

[4] JOSHI S V, VIZHIAN S P, SRIDHAR B R, et al. Parametric Study of Machining Effect on Residual Stress and Surface Roughness of Nickel Base Super Alloy UDIMET 720[J]. Advanced Materials Research, 2008, 47/50:13-16.

[5] SUBHAS B K, BHAT R, RAMACHANDR A K, et al. Simultaneous Optimization of Machining Parameters for Dimensional Instability Control in Aero Gas Turbine Components Made of Inconel 718 Alloy[J]. Journal of Manufacturing Science & Engineering, 2000, 122(3):586-590.

[6] 李波．鎳基高溫合金GH4169高速銑削表面完整性研究[D]．太原：中北大學，2015. LI Bo. Research on the Surface Integrity of High-speed Milling of Nickel-based Superalloy GH6149[D]. Taiyuan: North University of China, 2015.

[7] LIU Weiwei, YU Yuan, LI Feng, et al. A Study of Cutting Parameters Optimization in High-speed Milling GH4169 with TiAlN Coated Carbide Tool[J]. Advanced Materials Research, 2012, 628:144-149.

[8] MAIYAR L M, RAMANUJAM R, VENKATESAN K, et al. Optimization of Machining Parameters for End Milling of Inconel 718 Super Alloy Using Taguchi Based Grey Relational Analysis[J]. Procedia Engineering, 2013, 64:1276-1282.

[9] 唐中杰，郭鐵明，寇生中，等．鎳基高溫合金K4169中夾雜物的特征及形成機理[J]．中國有色金屬學報，2015，25(9)：2403-2413． TANG Zhongjie, GUO Tieming, KOU Shengzhong, et al. Feature and Formation Mechanism of Inclusions in K4169 Ni-based Superalloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(9):2403-2413.

[10] ZHANG J W, LU L T, WU P B, et al. Inclusion Size Evaluation and Fatigue Strength Analysis of 35CrMo Alloy Railway Axle Steel[J]. Materials Science & Engineering A, 2013, 562(2):211-217.

[11] SUN Chengqi, LEI Zhengqiang, XIE Jijia, et al. Effects of Inclusion Size and Stress Ratio on Fatigue Strength for High-strength Steels with Fish-eye Mode Failure[J]. International Journal of Fatigue, 2013, 48:19-27.

[12] 范紅妹，曾燕屏，王習術，等．夾雜物特征參數對拉伸載荷下超高強度鋼裂紋萌生與擴展的影響[J]．航空材料學報，2007，27(4)：6-9． FAN Hongmei, ZENG Yanping, WANG Xishu, et al. Influence of Characteristic Inclusion Parameters on Crack Initiation and Propagation in Ultra-high Strength Steel under Tensile Load[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2007, 27(4):6-9.

[13] 張宇，葛昌純，沈衛平，等．氮氣噴射成形FGH4095的組織特征[J]．物理學報，2012，61(19)：355-361． ZHANG Yu, GE Changchun, SHEN Weiping, et al. Microstructure of Spray-formed Superalloy FGH4095[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(19):355-361.

[14] 許文勇，李周，袁華，等．噴射成形GH742y合金的碳化物相[J]．航空材料學報，2010，30(2)：7-10． XU Wenyong, LI Zhou, YUAN Hua, et al. Carbide in Spray Formed Superalloy GH742y[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2010, 30(2):7-10.

[15] 郭建亭．高溫合金材料學(上冊)[M]．北京：科學出版社，2008：1146-1152. GUO Jianting. Material Science of Superalloy(I) [M]. Beijing: Science Press, 2008：1146-1152.

[16] 袁超，郭建亭，李谷松，等．鑄造高溫合金中氮的影響機理與控制[J]．中國有色金屬學報，2011，21(4)：733-746． YUAN Chao, GUO Jianting, LI Gusong, et al. Effect Mechanism and Control of Nitrogen in Cast Superalloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(4): 733-746.

[17] 仇健，李曉飛，馬曉波，等．硬質合金立銑刀高速銑削鋁合金切削力實驗研究[J]．中國機械工程，2012，23(13)：1555-1560． QIU Jian, LI Xiaofei, MA Xiaobo, et al. Experimental Study of Cutting Forces on High Speed Milling Aluminum Alloy Using Carbied End Mill[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(13):1555-1560.

[18] 李登萬，陳洪濤，馮錦春，等．基于均勻設計法的精密車削參數優化[J]．機械工程學報，2015，51(3)：206-212． LI Dengwan, CHEN Hongtao, FENG Jinchun, et al. Precision Cutting Parameters Optimization Based on Uniform Design Method[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(3)：206-212.

[19] 陸劍中，孫家寧. 金屬切削加工與刀具[M]. 5版. 北京：機械工業出版社，2012：48-54. LU Jianzhong，SUN Jianing. Metal Cutting and Tool[M]. 5th ed. Beijing: China Machine Press, 2012:48-54.

[20] JAWAHIRI S, BRINKSMEIER E, M'SAOUBI R, et al. Surface Integrity in Material Removal Processes: Recent Advances[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2011, 60(2):603-626.

[21] ULUTAND, OZEL T. Machining Induced Surface Integrity in Titanium and Nickel Alloys: a Review[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2011, 51(3):250-280.

[22] 張穎琳，陳五一．鎳基高溫合金銑削加工的殘余應力研究[J]．航空制造技術，2016，498(3)：42-47． ZHANG Yinglin, CHEN Wuyi. Research on the Surface Residual Stress of Milling Nickel-based Superalloy[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2016, 498(3): 42-47.

(編輯 王旻玥)

Study on Surface Integrity Modeling and Cutting Parameter Optimization of Superalloy inHigh-speed Finish Milling

SUN Tao1,2LIANG Jin1LI Dengwan2WEI Bin1GUO Nan1

1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an,7100492.Sichuan Province Engineering Laboratory for Superalloy Cutting Technology,Sichuan EngineeringTechnical College,Deyang,Sichuan,618000

A high-speed finish milling experimental program contained qualitative factor hybrid levels was projected by uniform design method. The finish milling multiple quadratic regression model of superalloys was established, and cutting force, cutting temperature and surface integrity were taken as objective functions in it. This model shows a good regression effects. Meanwhile, the influence laws of cutting conditions on the surface integrity were analyzed emphatically. Based on the regression models, a multi-objective optimizing model of high-temperature alloy’s parameters in high-speed finish milling was built, and the test results show a high predictive accuracy. The conclusions provide a directional significance for cutting parameter selections and quality controls of superalloys under a long bearing life at high temperature.

high temperature alloy; high-speed finish milling; surface integrity; parameter optimization; uniform design

2016-10-16

國家自然科學基金資助項目(51421004，51675404)；四川省科技支撐計劃資助項目(14ZC2890-1)

TG507.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.16.003

孫 濤，男，1982年生。西安交通大學機械工程學院博士研究生，四川工程職業技術學院機電工程系講師。主要研究方向為機械設計與制造、有限元分析及光學測量技術。E-mail:sunmark2005@163.com。梁 晉，男，1968年生。西安交通大學機械工程學院教授、博士研究生導師。李登萬，男，1964年生。四川工程職業技術學院機電工程系教授級高級工程師。魏 斌，男，1986年生。西安交通大學機械工程學院博士研究生。郭 楠，女，1984年生。西安交通大學機械工程學院博士研究生。