單晶鎳基高溫合金微銑削溫度場(chǎng)仿真與試驗(yàn)研究

高奇，李文博，郭光巖

(遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州 121001)

0 前言

溫度場(chǎng)對(duì)切削過(guò)程中的切削機(jī)制、切削力、刀具磨損以及加工之后的工件表面質(zhì)量均有重要影響。為克服高強(qiáng)韌性等難加工材料產(chǎn)生的高溫影響，BAGAVATHIAPPAN等[1]通過(guò)紅外測(cè)溫法對(duì)刀具溫度進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，采用雙向方差分析法對(duì)刀具溫度升高過(guò)程中的切削參數(shù)影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，繪制了微端銑刀和工件的熱源分布。LAZOGLU和ALTINTAS[2]通過(guò)有限差分法求解了銑削熱傳導(dǎo)模型，分析得到了銑削加工過(guò)程中刀具和切屑的溫度場(chǎng)變化。THEPSONTHI和?ZEL[3]通過(guò)試驗(yàn)和有限元仿真的方法研究了CBN涂層和無(wú)涂層微銑刀對(duì)鈦合金微銑削溫度的影響，提出了降低切削溫度的方法。MAMEDOV和LAZOGLU[4-5]提出了生物醫(yī)學(xué)用Ti-6Al-4V鈦合金微銑削溫度的一種有限元模型，用來(lái)預(yù)測(cè)微銑削溫度場(chǎng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。楊凱等人[6]對(duì)航空鋁合金進(jìn)行了微銑削溫度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微銑削相比傳統(tǒng)銑削熱影響區(qū)小，最高溫度發(fā)生在刀尖與工件接觸區(qū)，切削參數(shù)中進(jìn)給速度對(duì)切削溫度的影響最大。謝晉等人[7]提出在CBN前刀面上加工出54 μm的微溝槽可以改善切削性能，實(shí)驗(yàn)證明平行微溝槽結(jié)構(gòu)車(chē)刀比傳統(tǒng)平面車(chē)刀降低干切削溫度約18%。耿永林和張強(qiáng)[8]對(duì)TC4鈦合金微銑削中切削溫度進(jìn)行研究，分析了銑削過(guò)程中主要變形區(qū)切削熱的產(chǎn)生，建立了刀具和切屑交界界面的最高溫度的理論模型。

從目前研究現(xiàn)狀看，微切削溫度的研究尚不完善，并未建立統(tǒng)一的計(jì)算模型[9]，針對(duì)的對(duì)象也主要是軟加工材料，如低碳合金、鋁合金等[10-13]。受限于微銑削熱源區(qū)域小、不易準(zhǔn)確捕捉、紅外測(cè)溫法相對(duì)不夠準(zhǔn)確，關(guān)于銑削溫度的研究更多集中于多晶合金宏觀切削，少見(jiàn)關(guān)于單晶高溫合金微銑削溫度的研究報(bào)道，其微尺度切削溫度機(jī)制尚不明確。因此，研究單晶高溫合金的微銑削溫度變化規(guī)律，對(duì)于提升高溫合金在高溫服役條件下的壽命及質(zhì)量具有重要意義。

1 單晶鎳基高溫合金的微銑削溫度場(chǎng)仿真

微銑削單晶鎳基高溫合金將產(chǎn)生大量的切削熱，通過(guò)切屑、工件、刀具和周?chē)橘|(zhì)傳遞出去，造成系統(tǒng)的溫度升高，形成一個(gè)溫度場(chǎng)。基于ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)微銑削溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，微銑刀設(shè)置為0.6 mm直徑的剛體，邊界施加全約束，銑削深度為2 μm，微銑削溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖1所示。

由圖1(b)的溫度場(chǎng)局部放大剖視圖可以清晰獲得溫度場(chǎng)的分布情況，根據(jù)溫度分布特點(diǎn)，將切削熱的影響區(qū)域劃分為3個(gè)溫度區(qū)。第Ⅰ溫度區(qū)為單晶高溫合金材料發(fā)生剪切變形產(chǎn)生的剪切熱源；第Ⅱ溫度區(qū)為單晶材料的切屑與硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生的摩擦熱源；第Ⅲ溫度區(qū)，即單晶材料的工件與硬質(zhì)合金刀具接觸產(chǎn)生的摩擦熱源。根據(jù)熱源分布狀態(tài)，由圖1(b)可以看出：第Ⅱ溫度區(qū)溫度最高，原因?yàn)榈冖驕囟葏^(qū)溫度是在刀具與切屑摩擦熱的基礎(chǔ)上疊加第Ⅰ、Ⅲ溫度區(qū)的摩擦熱；第Ⅰ溫度區(qū)溫度次之，第Ⅲ溫度區(qū)溫度最低，原因?yàn)榈毒吆蠼堑拇嬖谑巩a(chǎn)生的摩擦熱較少，只有刀具后刀面與工件的摩擦熱。

圖1 微銑削溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

圖2所示為微銑削溫度場(chǎng)變化過(guò)程仿真云圖。(100)晶面為定向凝固高溫合金DD98時(shí)的典型晶面，因此在(100)晶面內(nèi)進(jìn)行微銑削。工藝參數(shù)為微銑削速度為1 130 mm/s(主軸轉(zhuǎn)速36 000 r/min)、微銑削深度為10 μm、進(jìn)給速度為60 μm/s。

圖2 微銑削溫度場(chǎng)變化過(guò)程仿真

圖2(a)為第1階段微銑刀刃口剛切入工件，受刃口半徑尺度效應(yīng)影響，切削厚度小于最小切削厚度，切削作用主要表現(xiàn)為耕犁與劃擦，不產(chǎn)生切屑，此階段切削域最高溫度為148 ℃。

圖2(b)為第2階段切屑初始形成階段，切削厚度大于最小切削厚度，隨著刀具切削過(guò)程的繼續(xù)，切削熱逐漸向內(nèi)部傳遞，溫度分布移動(dòng)到第Ⅱ溫度區(qū)，切削熱表現(xiàn)為刀具前刀面與切屑的強(qiáng)烈摩擦和切屑脫離工件產(chǎn)生的撕裂,此階段切削域最高溫度為252 ℃。

圖2(c)為第3階段切屑進(jìn)一步形成階段，刀具后刀面與工件已加工表面產(chǎn)生劇烈摩擦，切削熱繼續(xù)擴(kuò)展至第Ⅲ溫度區(qū)，此階段切削域最高溫度為264 ℃。

圖2(d)為第4階段切屑穩(wěn)定階段，切削熱沿前刀面的摩擦不斷增大，切削熱殘留在切屑和已加工表面，一部分切削熱隨著切屑的斷裂而消失，第Ⅲ溫度區(qū)切削熱逐漸增大，此階段切削域最高溫度為284 ℃。

2 單晶鎳基高溫合金的微銑削溫度場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 微銑削溫度試驗(yàn)研究

依據(jù)夾絲法的熱電偶測(cè)溫原理制作試驗(yàn)樣件如圖3所示。將預(yù)先連接好的熱電偶置于兩銑削工件中間的表層下方，連接點(diǎn)置于切削區(qū)位置，云母片防止干擾信號(hào)，熱電偶與溫度測(cè)量裝置構(gòu)成回路。微銑刀切削工件表層時(shí)，連接點(diǎn)的溫度場(chǎng)變化使熱電偶形成電壓信號(hào)，通過(guò)標(biāo)定的溫度-電勢(shì)曲線(xiàn)即可獲得切削區(qū)的溫度。制作加工試樣的過(guò)程中，為降低人工熱電偶制作誤差對(duì)溫度的影響，兩工件應(yīng)當(dāng)充分接近，使用直徑為0.08 mm的鎳鉻-鎳鋁熱電偶絲的雙極熱電偶絲，通過(guò)云母片分隔后，緊固于兩工件間，最后使用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘為一體置于夾具體上，兩工件尺寸為2 mm×2 mm×10 mm。

圖3 試驗(yàn)樣件

熱電偶的溫度-電勢(shì)變化曲線(xiàn)的測(cè)定依據(jù)比較法實(shí)現(xiàn)。用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被校熱電偶同時(shí)測(cè)量不同溫度 獲得2個(gè)電偶的電勢(shì)數(shù)據(jù)，再用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)待校熱電偶進(jìn)行校對(duì)，從而獲得待標(biāo)定熱電偶的溫度-電勢(shì)曲線(xiàn)。標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。實(shí)現(xiàn)過(guò)程為采用冰水與電爐對(duì)制作的熱電偶進(jìn)行溫度的標(biāo)定：將制作完成的熱電偶放置到冰水混合物中一段時(shí)間，可以得到溫度為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)；同樣地，將熱電偶放置在電爐中，可以得到不同溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)。通過(guò)不同溫度對(duì)應(yīng)的不同的熱電動(dòng)勢(shì)，可以完成溫度與電勢(shì)之間的轉(zhuǎn)化。

圖4 熱電偶標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)

微銑削溫度測(cè)試試驗(yàn)中，采用某公司生產(chǎn)的 USB2831數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的采集和處理；通過(guò)計(jì)算機(jī)的信號(hào)記錄分析系統(tǒng)對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行采樣分析，搭建的溫度測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 溫度測(cè)試系統(tǒng)

2.2 溫度試驗(yàn)結(jié)果分析

為研究單晶鎳基高溫合金微銑削過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)銑削溫度的影響，選擇鎳基單晶高溫合金DD98為試驗(yàn)材料，在(100)晶面內(nèi)考察主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f(wàn)、銑削深度ap對(duì)銑削溫度的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)單因素方案，采用制作的人工熱電偶來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，并記錄測(cè)量后的結(jié)果。

(1)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削溫度的影響

圖6所示為單晶高溫合金DD98微銑削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)。切削參數(shù)為：進(jìn)給速度f(wàn)為60 μm/s，銑削深度ap為10 μm，主軸轉(zhuǎn)速n分別為12 000、24 000、36 000、48 000、60 000 r/min，對(duì)應(yīng)銑削速度v為377、754、1 130、1 507、1 884 mm/s。

圖6 銑削速度對(duì)微銑削溫度的影響

從圖6看出：隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，單晶高溫合金DD98微銑削溫度不斷升高。分析原因?yàn)楫?dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高，微銑削刀刃線(xiàn)速度不斷提高，切削底層與前刀面的摩擦作用增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量和產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致溫度上升；主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?2 000 r/min提高到60 000 r/min，銑削溫度提升了89.1 ℃；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于36 000 r/min時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，銑削材料體積增加，產(chǎn)生的摩擦熱和切削熱隨之增加，溫度上升較快；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速高于36 000 r/min時(shí)，由于較大的線(xiàn)切削速度，熱源對(duì)工件作用時(shí)間減少，熱量可以較快地被脫離的切屑帶走，銑削溫度上升緩慢。

(2)進(jìn)給速度對(duì)銑削溫度的影響

圖7所示為單晶高溫合金DD98微銑削溫度隨進(jìn)給速度的變化曲線(xiàn)。其中：主軸轉(zhuǎn)速n為36 000 r/min，銑削深度ap為10 μm，進(jìn)給速度f(wàn)分別為20、40、60、80、100 μm/s。可以看出：隨著進(jìn)給速度的增大，微銑削的切削溫度逐漸升高，進(jìn)給速度小于60 μm/s時(shí)，銑削溫度升高較為明顯，之后溫度升高趨勢(shì)變得緩慢；進(jìn)給速度由20 μm/s增加到100 μm/s，銑削溫度升高了75.1 ℃。分析原因?yàn)檫M(jìn)給速度增加即沿進(jìn)給方向的每齒進(jìn)給量相對(duì)增加，在一定時(shí)間內(nèi)的切削體積增大，材料的去除率增大，材料的未變形切削厚度增加，材料受到犁耕和劃擦的金屬抗力增加，因此熱量產(chǎn)生得較快。同時(shí)，銑削切向力增大使熱軟化由切屑逐漸過(guò)渡到材料基體的下表面，切屑的熱容量增大導(dǎo)致帶走的熱量增大，溫升趨勢(shì)趨于平緩。

圖7 進(jìn)給速度對(duì)微銑削溫度的影響 圖8 銑削深度對(duì)微銑削溫度的影響

(3)銑削深度對(duì)銑削溫度的影響

圖8所示為單晶鎳基高溫合金DD98微銑削溫度隨銑削深度的變化曲線(xiàn)。其中：主軸轉(zhuǎn)速n為36 000 r/min，進(jìn)給速度f(wàn)為60 μm/s，銑削深度ap分別為5、8、10、12、15 μm。

由圖8看出:隨著銑削深度的增大，微銑削的切削溫度逐漸升高，銑削深度由5 μm增加至15 μm，銑削溫度升高了95.3 ℃，銑削深度相對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)銑削溫度的影響更明顯。分析原因?yàn)殡S銑削深度增加，刀具與材料的接觸面積增大，銑削材料的體積隨之增大，產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散及傳遞速度較慢，材料發(fā)生剪切斷裂的功耗增大，使得銑削溫度呈逐漸增大趨勢(shì)。

3 微銑削溫度仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證分析

對(duì)單晶鎳基高溫合金DD98的溫度場(chǎng)仿真和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，試驗(yàn)結(jié)果如下：微銑削溫度隨銑削速度的提高、進(jìn)給速度的增加以及微銑削深度的增加均呈逐漸升高的趨勢(shì)。數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了微銑削溫度隨著微銑削參數(shù)變化趨勢(shì)與仿真過(guò)程中的變化趨勢(shì)相同，驗(yàn)證了仿真結(jié)論的正確性。

對(duì)比溫度仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)仿真與試驗(yàn)結(jié)果的差距較為明顯。仿真中得到的微銑削溫度最高284 ℃，試驗(yàn)測(cè)量溫度最高不超過(guò)200 ℃。試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)值明顯低于溫度仿真中同樣參數(shù)時(shí)所獲得的結(jié)果，這是由試驗(yàn)時(shí)的測(cè)量方式所導(dǎo)致的。在溫度場(chǎng)仿真中，最高溫度發(fā)生在切屑與工件前刀面的接觸區(qū)域，仿真中所得到的溫度值即為最高點(diǎn)的溫度值。實(shí)際上,在仿真云圖中，綠色及藍(lán)色區(qū)域溫度即為埋置熱電偶絲位置溫度，即此試驗(yàn)所進(jìn)行微銑削溫度的測(cè)試區(qū)域，對(duì)比來(lái)看，試驗(yàn)和仿真結(jié)果較為一致。仿真分析中通過(guò)分析最高溫度可以更好地總結(jié)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律及切削溫度對(duì)工件的熱作用。試驗(yàn)中，刀具與工件的尺寸很小，所以導(dǎo)致微銑削的溫度區(qū)非常小，熱電偶與加工區(qū)域仍有一段距離，所使用的熱電偶很難精確地落在微銑削溫度測(cè)量區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致很難測(cè)得溫度場(chǎng)中的最高點(diǎn)溫度;并且試驗(yàn)過(guò)程中熱電偶得到溫度差產(chǎn)生的電勢(shì)需要一定的時(shí)間，熱量的傳遞存在擴(kuò)散和損失，導(dǎo)致試驗(yàn)所測(cè)平均溫度偏小。根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，微銑削過(guò)程中的瞬時(shí)溫度很容易接近300 ℃，相對(duì)于微尺度加工，這樣的溫度容易引起表面燒傷現(xiàn)象以及加劇刀具的磨損，實(shí)際加工中應(yīng)通過(guò)設(shè)置合理的微銑削工藝避免切削區(qū)溫度過(guò)高。

4 結(jié)論

(1)完善了三維導(dǎo)熱模型，提出了各向異性材料微銑削溫度三維仿真的方法，提高了仿真溫度的準(zhǔn)確性，定義了微銑削溫度的3個(gè)切削區(qū)，得到切削區(qū)最高溫度為284 ℃。獲得了切削參數(shù)對(duì)仿真溫度的影響規(guī)律。

(2)基于人工熱電偶測(cè)溫方法，搭建了溫度測(cè)試平臺(tái)，標(biāo)定了試驗(yàn)所用熱電偶的溫度-電勢(shì)曲線(xiàn)。

(3)基于單因素試驗(yàn)方法，獲得了切削參數(shù)對(duì)微銑削溫度的影響規(guī)律，微銑削溫度隨切削用量的增大而升高。

(4)對(duì)微銑削溫度仿真和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)比，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，并解釋了誤差存在的原因，可為微銑削溫度的預(yù)測(cè)提供借鑒。