鎳基高溫合金Waspaloy銑削仿真研究

李 超，張好強

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

Waspaloy是一種適用于時效硬化的鎳基高溫合金，是由美國的普拉特和惠特尼公司在20世紀50年代發展起來的，與我國GH738或GH864牌號相對應。Waspaloy合金在760 ℃以下具有高的拉伸和持久強度，在870 ℃以下具有良好的抗氧化性能和拉伸力學性能，抗疲勞、抗蠕變、抗腐蝕，還具有優良的可焊性、良好的韌性，適用于高溫、高負荷的場合[1]。

Waspaloy鎳基高溫合金被認為是難加工材料的主要原因如下[2-4]:①加工硬化特性：加工過程中刀具-切屑界面摩擦力大，刀具發生災難性塑性失效，形成硬化層，嚴重影響切削加工;②導熱系數低：對于高溫合金，導熱系數低，僅相當于45鋼的25%，容易在刀具與被加工零件之間積累切削熱；③強度高：高溫合金的屈服點和抗拉強度都很高，切削阻抗大，所以切削刃端容易產生高壓、高溫和刀具變形；④親和性強：對于銑削等不連續切削，刀尖與切屑之間可能存在熔化現象，而熔融物質的產生對刀具壽命有嚴重的影響。

許多學者對Waspaloy合金的切削性能進行了研究。宋曉慶等[5]確定了鎳基高溫合金Waspaloy車削加工的合理參數，確保鎳基高溫合金Waspaloy切削加工的表面完整性，同時提高零件疲勞壽命。Yildirim等[6]研究得出Waspaloy合金的切削刀具主要受粘結磨損影響。Yildirim[7]等研究了Waspaloy鎳基高溫合金在微量潤滑系統下的銑削過程中的刀具壽命、磨損行為和表面粗糙度。

為確定Waspaloy合金的最佳銑削參數，本文采用AdvantEdge軟件建立三維銑削模型，并研究了切削參數對切削力、切削溫度和刀具磨損狀況的影響，為難加工材料銑削參數確定提供有力依據，也是為得到更加優異的合金材料的加工方法奠定基礎。

1 切削的幾何及有限元模型

1.1 三維銑削模型的建立

通過AdvantEdge軟件建立三維銑削模型，刀具材料采用PCB(其力學性能如表1所示)，規格為ATKT160404；工件為Waspaloy合金，尺寸為100 mm×55 mm×5 mm，其化學成分見表2；采用端銑的方式，三維銑削模型見圖1。

圖1 三維銑削模型

表1 PCB力學性能

表2 Waspaloy化學成分(質量分數) %

1.2 材料的本構模型

銑削材料為Waspaloy合金板，整個切削仿真過程為干切削。Johnson-Cook本構模型是切削仿真中應用較廣的一種本構模型，能夠反映此金屬材料在加工過程中的變形特性，其具體表達式為：

(1)

(2)

A1、B1、C1、m和n為待定系數，與材料本身屬性和狀態有關。Waspaloy合金物理力學性能如表3所示。

表3 Waspaloy合金物理力學性能

1.3 刀具磨損模型

Usui磨損模型主要是利用后刀面磨損，不論是對剛開始的粘結磨損，還是對后續的擴散磨損，都能很好地預測刀具磨損情況。

Usui磨損模型綜合分析了切削速度、切削溫度和切削力對刀具磨損的影響，其具體表達式為：

(3)

1.4 銑削模型網格劃分

有限元分析模型得到的精度與所用的有限元網格密切相關。AdvantEdge軟件可自動劃分網格，通過改變參數進行調整。網格劃分等級參數G的大小決定了靠近切削刃部分網格由粗到細變化的快慢，取值范圍為0.1～1，G=0.1時為全局細網格，G=1時為全局粗網格。本模型取網格等級G=0.5。其中刀具的最大網格單元尺寸為1 mm，最小為0.1 mm；工件的最小網格單元尺寸為0.12 mm,最大為1.5 mm。

2 試驗設計及結果分析

2.1 試驗設計

工程實際應用中對研究目標而言存在多因素影響，如果逐個分析，研究成本和資源耗費巨大，而正交試驗正好解決這個問題，通過最少的試驗次數，得到最佳切削參數組合。

切削力和切削溫度是影響切削加工過程的重要表征參數，直接影響工件的表面質量及刀具壽命。刀具壽命主要是通過刀具磨損程度來區分的，包含了前刀面磨損、后刀面磨損和邊界磨損。為了直觀分析切削力、切削溫度以及刀具磨損情況，設計了正交試驗，采用的因素及水平如表4所示。

表4 正交試驗因素及水平

2.2 試驗方案及結果

為了減少試驗次數，得到最佳銑削參數，利用正交試驗繪制四因素三水平的正交表進行試驗分析，試驗方案及結果見表5。表5中，F為銑削力，t為刀具切削溫度，VBmax為后刀面磨損速率。

表5 正交試驗方案及結果

3 仿真結果分析

3.1 單因素試驗結果

銑削力可分解為周向力Fy、進給力Fx和徑向力Fz三個分量，是決定材料切削性能的主要因素。圖2～圖4是銑削力與銑削溫度隨主軸轉速、進給量和銑削深度的變化趨勢。從圖2～圖4可以看出：銑削溫度隨主軸轉速、進給量和銑削深度的增大而上升；銑削力隨進給量、銑削深度的增大而上升，隨主軸轉速的增大呈下降的趨勢。造成這種現象的主要原因是Waspaloy合金的導熱系數較低，切削熱不宜擴散，從而使工件軟化，切削力降低。

圖2 銑削力和銑削溫度隨主軸轉速的變化趨勢(fz=0.08 mm/z，ap=1 mm) 圖3 銑削力和銑削溫度隨進給量的變化趨勢(n=7 000 r/min，ap=1 mm) 圖4 銑削力和銑削溫度隨銑削深度的變化趨勢(n=7 000 r/min，fz=0.06 mm/z)

3.2 正交試驗結果

3.2.1 銑削力與銑削溫度

(1) 銑削力。銑削力的極差分析結果如表6所示。表6中，k1、k2、k3為每一水平的試驗結果之和的平均數，R為極差。

從表6中可以看出：銑削深度與進給量對銑削力的影響較為明顯；由極差值可以得到影響銑削力的因素次序為銑削深度>進給量>主軸轉速；在所選取的參數范圍內，最優參數為n=7 000 r/min，fz=0.06 mm/z，ap=0.8 mm。

表6 銑削力F的極差分析結果

(2) 銑削溫度。表7是銑削溫度的極差分析結果，可以看出:進給量是影響銑削溫度的主要因素，其次是主軸轉速，銑削深度影響最小；在所選參數范圍內，銑削參數最優水平為B2A3C3，即n=7 000 r/min，fz=0.07 mm/z，ap=1.2 mm。

表7 銑削溫度t的極差分析結果

3.2.2 刀具磨損

(1) 后刀面磨損。圖5是AdvantEdge軟件仿真所得到的PCB刀具磨損特征圖。從圖5可以看出，前刀面和后刀面的磨損輪廓比較明顯，前刀面出現了月牙洼，主要是由于刀具的前刀面和第二變形區接觸，散熱困難使接觸區域具有較高的溫度和壓力造成的；后刀面磨損與月牙洼磨損相比，出現的晚一些，它是由刀具與已加工表面摩擦產生的，具有不均勻性。

圖5 PCB刀具磨損特征圖

磨損測量方式利用了有限元軟件的后處理，對正交試驗條件下的刀具磨損進行測量。

(2) 后刀面磨損極差分析。后刀面磨損VBmax極差分析結果如表8所示。通過極差的比較可以看出：各因素影響依次為進給量>銑削深度>主軸轉速；后刀面最小磨損水平為B2C3A3，即n=7 000 r/min，fz=0.07 mm/z，ap=1.2 mm。

表8 VBmax的極差分析結果

3.3 切屑分析

圖6是不同主軸轉速條件下的切屑形態。從圖6中可以看出，隨著主軸轉速的增加，切屑的碎片化程度增大。這些結果與文獻[8]在類似難切割材料上的實驗結果一致。

圖6 不同主軸轉速下的Waspaloy切屑形態

鋸齒狀切屑的形成是切屑剪切面上的絕熱剪切作用和切屑自由表面的循環裂紋作用的結果。而高溫合金主要是由于切屑各部分變形極端不平衡，造成節與節之間產生劇烈的剪切滑移，使切屑不連續，也有人稱這種集中剪切滑移為熱塑剪切失穩[9]。

4 結論

本文應用AdvantEdge軟件對Waspaloy合金進行有限元銑削加工仿真，得到如下結論：

(1) 在單因素條件下，銑削溫度隨主軸轉速、進給量和銑削深度的增大而上升；銑削力與進給量和銑削深度成正比，與主軸轉速成反比。

(2) 通過正交試驗極差分析，在所選銑削參數范圍內，銑削力的最佳銑削參數為n=7 000 r/min，fz=0.06 mm/z，ap=0.8 mm，各因素影響大小為ap>fz>n；銑削溫度的最佳切削參數為n=7 000 r/min，fz=0.07 mm/z，ap=1.2 mm，各因素影響大小為fz>n>ap；刀具后刀面最小磨損的切削參數為n=7 000 r/min，fz=0.07 mm/z，ap=1.2 mm,各因素影響大小為fz>ap>n。

(3) 切屑隨著主軸轉速n的增加，碎片化程度增大，鋸齒形越明顯。