GH4169高溫合金插銑加工的切削參數(shù)研究

高東強(qiáng) 楊愷迪 丁 鑫 肖倩

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

1 研究背景

鎳基高溫合金是以鎳為基體（含量一般大于50%）在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高強(qiáng)度和良好抗氧化、抗熱氣腐蝕能力的高溫合金。由于具有如此多的良好性能，因此，被廣泛應(yīng)用于航空航天等行業(yè)。但由于其加工過程切削溫度高，加工硬化嚴(yán)重，高溫狀態(tài)下切削力大等問題，如何做到高效切削是國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的項(xiàng)目。插銑法[1]又稱為Z軸銑削法，是實(shí)現(xiàn)高切除率金屬切削最有效的加工方法之一。插銑加工徑向切削力小、刀具懸伸長度較大、加工效率高。插銑法非常適合型腔及高溫合金材料的加工，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空復(fù)雜零部件的高效加工中。

本文以GH4169型高溫合金[2-4]的插銑加工為研究對(duì)象。通過對(duì)加工時(shí)加工刀具的選用進(jìn)行對(duì)比，以及實(shí)現(xiàn)高效加工時(shí)切削用量的選用進(jìn)行研究，分析在不同參數(shù)情況下產(chǎn)生切削力的規(guī)律以及刀具的壽命，為今后GH4169型高溫合金材料的插銑加工切削用量選取提供依據(jù)。

2 插銑加工工藝的確定

2.1 插銑刀具的選擇

對(duì)于GH4169型鎳基高溫合金，在工廠實(shí)際加工生產(chǎn)中主要使用硬質(zhì)合金涂層刀具進(jìn)行加工。由于高溫合金屬于難加工材料，在實(shí)際加工過程中刀具磨損十分嚴(yán)重，導(dǎo)致刀具耐用度十分有限。如果使用常規(guī)的硬質(zhì)合金涂層刀具進(jìn)行加工，往往會(huì)因?yàn)椴粩喔鼡Q刀具和對(duì)刀，大大增加一個(gè)零件的加工時(shí)間，還會(huì)致使零件加工精度下降。

本次研究使用的刀具為機(jī)夾式銑刀（俗稱鑲刀片刀具）[5]，這種刀具在磨損后可以通過更換機(jī)夾式刀柄上的鑲刀片來到達(dá)持續(xù)加工，相比常規(guī)的硬質(zhì)合金涂層刀具來說，大大提升了加工進(jìn)度，且零件加工精度也不會(huì)受影響，如圖1所示。

2.2 插銑用量的確定

插銑加工是插銑刀沿Z軸和X軸方向作復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。圖中ae為徑向切深，h為插銑深度，s為步距。插銑加工時(shí)，刀具沿軸做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，利用刀具的底部切削刃進(jìn)行切削。每一刀直徑插銑到零件的預(yù)設(shè)位置，然后軸向抬刀，水平進(jìn)給一個(gè)步距s，移動(dòng)到下一個(gè)加工點(diǎn)，再進(jìn)行第二刀插銑。如此反復(fù)，直至零件加工完成。圖2中FZ為軸向力，F(xiàn)a為徑向力。

圖1 機(jī)夾式銑刀

圖2 插銑示意圖

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)向與步進(jìn)方向相同時(shí)，則為順插銑；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)向與步進(jìn)方向相反時(shí)，則為逆插銑。根據(jù)西北工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室林謙等人的研究[6]，順插銑為最優(yōu)加工方法。本文的實(shí)驗(yàn)同樣選用順插銑。

2.3 試驗(yàn)加工條件的確定

試驗(yàn)件為100mm×100mm×50mm的GH4169高溫合金材料，刀具為φ12mm的四刃機(jī)夾式銑刀，刀片材料為K44的硬質(zhì)合金。在sK-GD650立式銑床上進(jìn)行銑削力實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。銑削力由KIsTLER 9257B壓電式三向測力儀測量，數(shù)據(jù)采集過程如圖4所示。

圖3 SK-GD650立式銑床

圖4 數(shù)據(jù)采集過程

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

相同的步距以及切削深度條件下，通過改變不同的主軸轉(zhuǎn)速n（r/min），每齒進(jìn)給量fZ（㎜/z）以及徑向切深ae（㎜）來測量刀具所受的徑向力Fa與軸向力FZ以及刀片的壽命[7]。

正交試驗(yàn)是一種多因素多水平的試驗(yàn)方法，不僅可以減少試驗(yàn)次數(shù)，還能縮短試驗(yàn)時(shí)間。因此，本文采用正交試驗(yàn)法，得到的測量結(jié)果如表1所示。

表1 正交切削試驗(yàn)的測量結(jié)果

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力和刀具耐用度的影響

從表1可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷提升，切削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的提升而增大；同時(shí)，刀具耐用度隨著主軸轉(zhuǎn)速的提升而降低。在相同的每齒進(jìn)給量fZ（㎜/z）以及徑向切深ae（㎜）的條件下，主軸轉(zhuǎn)速在600～1000r/min的速度范圍內(nèi)，刀具耐用度降低了將近10min之久。這是由于主軸轉(zhuǎn)速的提升使切削速度升高，切削溫度也不斷的升高使刀具的粘結(jié)磨損加劇，造成“冷焊”現(xiàn)象，使刀具失效。

3.2.2 每齒進(jìn)給量對(duì)切削力和刀具耐用度的影響

從表1可以看出，隨著每齒進(jìn)給量的不斷增加，切削力隨著每齒進(jìn)給量的提升而增大；同時(shí)，刀具耐用度隨著每齒進(jìn)給量的提升而降低。在相同的主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）以及徑向切深ae（㎜）的條件下，當(dāng)每齒進(jìn)給量fZ（㎜/z）由0.01mm/z增加到0.014mm/z時(shí)，刀具耐用度降低了將近6min。這主要因?yàn)榈毒咴谇腥牍ぜ乃查g會(huì)使刀具受到很大沖擊力，增大每齒的進(jìn)給量，影響刀具壽命。

3.2.3 徑向切深對(duì)切削力和刀具耐用度的影響

從表1可以看出，隨著徑向切深的不斷增加，切削力隨著徑向切深的提升而增大；同時(shí)，刀具耐用度隨著徑向切深的提升而降低。在相同的主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）以及每齒進(jìn)給量fZ（㎜/z）的條件下，當(dāng)徑向切深ae（㎜）由3mm增加至4mm時(shí)，刀具耐用度減少了將近4min。這主要是徑向切深影響插銑的加工面積，如果徑向切深越大，則加工面也就越大，從而刀具受力也越大，影響了刀具的壽命。

4 切削用量的優(yōu)化

針對(duì)GH4169高溫合金的加工，實(shí)際所需的是在刀具相對(duì)壽命最長的情況下，工件材料的去除量達(dá)到最高，同時(shí)保證切削效率。一個(gè)合理的切削用量是對(duì)于工件的加工，降低生產(chǎn)加工成本有很重要的作用。因此，本試驗(yàn)使用Maltab軟件的GA遺傳算法工具箱[8]對(duì)主軸轉(zhuǎn)速n（r/min），每齒進(jìn)給量fZ(㎜/z)以及徑向切深ae（㎜）參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 遺傳算法

遺傳算法[9]模擬生物的繁殖、基因交換與突變，在每次迭代中都保留一組候選解，然后按照某個(gè)指標(biāo)對(duì)候選解進(jìn)行淘汰，篩選出較優(yōu)秀的個(gè)體，同時(shí)利用遺傳算法程序?qū)@些個(gè)體進(jìn)行組合繁殖，產(chǎn)生新一代候選解，之后重復(fù)此過程，最終獲得滿足收斂要求的解。

4.2 目標(biāo)函數(shù)

材料去除率最大優(yōu)化目標(biāo)：f1=min(-Q)=-1000vfzae。切削功率或切削熱最小：f2=minPc=minFcv。

4.3 約束條件

第一，數(shù)控銑床規(guī)范約束。要保證進(jìn)給速度、切削速度等應(yīng)在參數(shù)范圍內(nèi)，即：

第二，數(shù)控機(jī)床功率約束。數(shù)控機(jī)床的切削功率應(yīng)該小于機(jī)床的電動(dòng)機(jī)功率乘上機(jī)床的傳動(dòng)效率，即式中，η是機(jī)床的傳動(dòng)效率；pmax是機(jī)床最大功率。

4.4 遺傳算法求解

使用Maltab中基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化模型，設(shè)置適合本函數(shù)的個(gè)體系數(shù)、種群大小、交叉概率、最大進(jìn)化代數(shù)等，編寫Maltab代碼，運(yùn)行求解后，得到GH4169高溫合金插銑加工最大材料去除量的最優(yōu)切削參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后的切削參數(shù)

將Maltab優(yōu)化獲得的參數(shù)，n=800r/min，fZ=0.012mm/z，ae=3.5mm與表1相比，發(fā)現(xiàn)此時(shí)軸向力Fz為788.59N，刀具耐用度為10.5min。此時(shí)，可以保證在最大材料去除量的條件下獲得較長的刀具耐用度，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

第一，本文針對(duì)GH4169高溫合金的插銑加工進(jìn)行研究，通過一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，刀具受到的徑向力，軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速n，每齒進(jìn)給量以及徑向切深的增大而增大，刀具耐用度隨著主軸轉(zhuǎn)速，每齒進(jìn)給量以及徑向切深的增大而減小。

第二，在GH4169高溫合金的插銑過程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)刀具耐用度影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速，其次是每齒進(jìn)給量和徑向切深。

第三，通過MATLAB的GA遺傳算法工具箱進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定了GH4169高溫合金插銑的最優(yōu)切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速800r/min，每齒進(jìn)給量0.012mm/z，徑向切深3.5mm。此時(shí)的切削參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)在較長刀具耐用度的情況下，獲得最大的材料去除量，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，降低了生產(chǎn)成本。