精密鏜削GH536刀具磨損試驗(yàn)研究

■ 沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 （遼寧 110850） 宋萬萬 劉 標(biāo) 潘 新

G H 5 3 6合金是仿美國Hastelloy-X合金，是以Ni-Cr-Fe為基的固溶強(qiáng)化鎳基高溫合金，在750℃以上具有較好的抗氧化性、耐腐蝕性和一定的強(qiáng)度等綜合性能。兼有良好的冷熱加工成型和焊接等工藝性能，是目前制作航空發(fā)動機(jī)燃燒室等高溫部件的首選材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，刀具切削性能不斷提高，但在加工高溫合金過程中，刀具磨損仍相當(dāng)?shù)膰?yán)重，主要的原因是：鎳基高溫合金含有較多的硬質(zhì)點(diǎn)，高溫強(qiáng)度大，單位切削力大，且其導(dǎo)熱率低，黏性大等特點(diǎn)造成切削溫度高，切削硬化嚴(yán)重，易產(chǎn)生積屑瘤，使零件尺寸精度和表面質(zhì)量不易保證。

航空零件對定位孔的尺寸精度、形位公差和表面質(zhì)量要求較高，通常采用精密鏜削的方法保證其精度和相對位置。受鏜刀、刀桿的結(jié)構(gòu)和鏜削加工過程的特性影響，使得在鏜削加工的過程中，刀具磨損比較嚴(yán)重，刀具壽命降低，生產(chǎn)成本增加，產(chǎn)品精度下降，極易造成零件報廢。因此本研究在干切的環(huán)境中，通過運(yùn)用試驗(yàn)研究與分析的方法，不僅得到刀具磨損模型的辨識結(jié)果，而且得到了涂層硬質(zhì)合金刀片鏜削GH536時，刀具的磨損形式及相關(guān)的機(jī)理。

1. 實(shí)驗(yàn)研究

（1）試驗(yàn)儀器：試驗(yàn)在CAK6150數(shù)控鏜床上進(jìn)行，利用奧林巴斯讀數(shù)顯微鏡觀察刀具的磨損量。使用掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對刀具磨損形態(tài)及局部化學(xué)成分進(jìn)行分析。刀具為肯納涂層KC5510精密鏜刀片，其具體的參數(shù)為前、后角5°。

（2）鏜削試驗(yàn)規(guī)劃及試驗(yàn)結(jié)果：本精鏜加工試驗(yàn)采取四因素水平，其試驗(yàn)規(guī)劃采用中心組合設(shè)計，其優(yōu)點(diǎn)在能做出正確的試驗(yàn)結(jié)果條件下，不僅可以減少試驗(yàn)次數(shù)，而且可以降低試驗(yàn)的成本。擬合刀具耐用度預(yù)測模型的試驗(yàn)規(guī)劃矩陣及試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖 1

（3）刀具磨損模型的建立：利用遺傳算法擅長全局搜索的優(yōu)點(diǎn)，對刀具磨損模型進(jìn)行參數(shù)辨識，并以鏜削GH536時的10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對預(yù)測模型進(jìn)行擬合。精密鏜削加工GH536時的刀具磨損模型的辨識結(jié)果如公式1所示，其種群適應(yīng)度進(jìn)化歷程如圖2所示。

圖2 種群適應(yīng)度進(jìn)化歷程

（4）刀具壽命與加工效率研究：通過參數(shù)辨識獲得的刀具壽命預(yù)測公式1及加工效率公式2可以分析二者的關(guān)系，獲得滿足加工效率和刀具壽命指標(biāo)前提下的適合高溫合金加工的參數(shù)。

從刀具壽命試驗(yàn)公式可以看出，在選定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，鏜削深度相比鏜削速度對刀具壽命的影響更大。主要原因是：試驗(yàn)方案選擇的鏜削速度較為合理，未達(dá)到對刀具壽命有顯著影響的上限，而隨著鏜削深度的增加，切削熱不易散失，切削力和切削溫度升高，刀具與工件之間產(chǎn)生粘結(jié)和擴(kuò)散，刀具壽命降低。通過刀具磨損量與加工效率公式計算結(jié)果繪制如圖3曲線，虛線代表等效率曲線，實(shí)線代表等壽命曲線（進(jìn)給量f=0.15mm/r，切削時間t=10min）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金涂層刀具鏜削效率一定時，適當(dāng)增加鏜削速度，減小鏜削深度能夠提高鏜刀使用壽命。

2. 刀具磨損分析

該試驗(yàn)的切削參數(shù)為ap=0.25mm，f=0.1mm/r，vc=40m/min。

圖4為刀具失效時刀具磨損形貌SEM圖，從圖中可以清晰的看到在刀具的前刀面、后刀面隨著切削距離的增大都出現(xiàn)了大范圍的磨損，切削刃也逐漸的破損。

（1）月牙洼磨損。在圖4中，受熱應(yīng)力集中和接觸疲勞作用，在前刀面處出現(xiàn)了月牙洼。由于高溫合金有很好的韌性，在切削過程中很容易產(chǎn)生切屑毛邊和毛刺。這些毛邊和毛刺并不會隨著切削溫度的升高，逐漸的變形和軟化。

圖3 刀具磨損量與切削效率關(guān)系曲線

圖 4

隨著切削過程的繼續(xù)，這些切屑毛邊和毛刺會周而復(fù)始的以鋸齒狀撞擊刀具的前刀面和切削刃，尤其在前刀面和刃口處承受著交變應(yīng)力使涂層產(chǎn)生了疲勞應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生了裂紋。隨著切削距離的增大，切削溫度的升高，使空氣中的C、H、O等元素浸入切削界面，刀具表層產(chǎn)生脆性相變，使刀具表層形成裂紋，在切屑的沖擊下使涂層逐漸的剝落，便產(chǎn)生了機(jī)械磨損。由于刀具基體的硬度比涂層的硬度小的多，隨著切削的進(jìn)行使前刀面處出現(xiàn)了月牙洼。

（2）粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損。在鏜刀切削鎳基合金時，切削力大切削溫度高，切屑和刀具前后刀面不斷相互摩擦，在切削熱和切削力綜合作用下，刀具和工件之間出現(xiàn)局部冷焊粘結(jié)點(diǎn)。鎳基合金導(dǎo)熱系數(shù)低韌性好，切削熱都集中在前刀面，同時刀具涂層的抗熱振能力和韌性不是很好，在切削沖擊過程中很容易在涂層表面產(chǎn)生裂紋。

切削過程中形成的切屑在粘結(jié)物上產(chǎn)生塑性變形，粘結(jié)點(diǎn)的存在使得工件和刀具產(chǎn)生斷續(xù)接觸，正向壓力減小，易在粘結(jié)面上產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成刀具裂紋擴(kuò)展，并隨切屑不斷被帶走。由于刀具的切削速度較高，粘結(jié)物不穩(wěn)定，在沖擊的作用下，會使粘結(jié)層脫落并帶走部分刀具材料，在刀面上會產(chǎn)生凹坑的現(xiàn)象，形成粘結(jié)磨損。隨著粘結(jié)物會不斷的出現(xiàn)與消失，最后達(dá)到刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

在刀具和切屑的相互接觸、摩擦過程中，在親和力的作用下，部分原子相互溶解和相互擴(kuò)散，改變刀具表面元素組成，使其強(qiáng)度降低，形成刀具的擴(kuò)散磨損。如圖5b所示 ，1、6處Ni和Cr的含量分別達(dá)到了200和400，很好地證明了在鏜削的過程中發(fā)生了擴(kuò)散磨損。粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損相互促進(jìn)，是因?yàn)楦邷睾辖鹬械?Ni 屬于過渡元素，化學(xué)活性高，刀具與工件材料之間存在較強(qiáng)的親和力，促使刀具發(fā)生了粘結(jié)磨損。

（3）溝槽磨損以及氧化磨損。加工過程中，加工表面上常含有各種硬質(zhì)點(diǎn)顆粒、切屑毛邊以及在工件待加工表面形成的切削毛刺，它們不斷刮擦刀具的后刀面，使刀具的后刀面產(chǎn)生了溝槽磨損。如圖5中的點(diǎn)包含Al、C等元素，為刀具的涂層材料。同時1點(diǎn)的O元素，說明在切削區(qū)高溫作用下有氧化現(xiàn)象存在。

（4）切削刃的破損。由于高溫合金的高溫強(qiáng)度高，加工硬化嚴(yán)重，而且高溫合金中含有很多由于金屬碳化物、氮化物、硼化物以及金屬間化合物等構(gòu)成的硬質(zhì)點(diǎn)，再加上切屑毛邊和毛刺周而復(fù)始的撞擊，使切削刃受到不規(guī)律的、非周期性的沖擊和疲勞作用。同時在鏜削過程中，刀桿的振動，就加劇了切削刃的磨損。在前刀面的月牙洼和后刀面處的溝槽磨損，都會使切削刃的厚度逐漸的變薄，使得切削能力減弱，進(jìn)而使切削刃破損。

3. 結(jié)語

GH536以優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)中，本文通過對涂層鏜刀片精密鏜削GH536試驗(yàn)研究，并利用遺傳算法對刀具磨損模型進(jìn)行參數(shù)辨識，得到了刀具磨損模型。對刀具壽命與切削效率進(jìn)行分析，獲得了比較理想的切削參數(shù)、刀具壽命及效率。通過對刀具磨損進(jìn)行分析，得到了刀具的主要磨損形式有：粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、溝槽磨損、氧化磨損和機(jī)械磨損等。

[1] 趙明，徐林耀，張克實(shí)，等. 鎳基合金GH536材料高溫低循環(huán)疲勞特性研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21（2）：279-281.