高溫合金高速銑削刀具研究進展

李體仁，楊德青，孫建功

（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

高溫合金具有較好的抗氧化性能、較高的高溫強度、耐腐蝕性以及疲勞性能、斷裂韌性等，從而在航空航天領域得到了廣泛應用。面對高溫合金的日益廣泛應用，其突出存在的主要問題是質量、效率和刀具成本之間的矛盾，特別是在高溫合金銑削的高質量和高效率方面。其主要體現在以下兩個方面：①高溫合金在銑削過程中切削力、溫度場、加工硬化、斷屑機理和刀具磨損之間存在復雜的交互作用，對銑削加工的質量和效率產生重要影響。由于高溫合金材料存在諸多加工難點，常規的整體刀具，刀具磨損快，即使采用“刀海”戰術，由于多次刃磨，頻繁對刀等原因，也無法保證零件的加工質量、合格率和加工效率。②高溫合金加工質量和效率是銑削刀具和工藝參數等多重因素作用下的綜合效果，屬于復雜的非線性過程。各因素對于表面質量和效率的影響規律尚有待進一步研究。傳統的銑削工藝參數和經驗數據等，與高溫合金高速銑削及其所用刀具的匹配性差，且缺乏綜合考慮銑削質量和效率的加工參數優化，已不再適用。

本文中綜述高溫合金銑削加工的研究現狀，從高溫合金刀具材料、刀具結構設計及優化、切削環境以及切削表面質量控制等方面對現有研究進行總結分析，找出現有研究的缺點并對未來高溫合金高效加工發展方向作出展望。

1 高溫合金切削性能研究

1.1 高溫合金銑削刀具結構優化

在刀具材料方面，TAZEHKANDI等[1]對比了用于加工高溫合金的刀具材料，包括高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金和立方氮化硼等，指出立方氮化硼材料具有較好的綜合性能。WANG等[2]選擇了YG6X、YG8、涂層硬質合金刀具和涂層陶瓷刀具，采用電阻爐加熱刀具材料，并進行了抗氧化試驗。實驗證明刀具晶粒越小，抗氧化性越好。涂層硬質合金刀具的抗氧化性能優于未涂層刀具。

ARAMESH等[3]推薦使用Al-Si（在加工前階段沉積在刀面上）涂層刀具加工Inconel 718。筆者經試驗發現在加工過程中，由于切削溫度高，鋁硅層熔化，熔融材料順利穿過刀具表面早期形成的微裂紋，這反過來又延長了刀具壽命，并獲得了更好的表面完整性。刀具在低摩擦的Al-Si層上的滑動導致了更小的切削力、更少的粘滯，從而減少了刀具的磨損，延長了刀具壽命。此外，鋁的延展性有助于降低加工過程中的振動。MING等[4]用Sialon陶瓷刀具對FGH96高溫合金進行了一系列高速銑削試驗，研究了所用工藝參數對銑削力和加工溫度的影響，并對陶瓷刀具的切削表面質量和磨損特征進行了討論，實驗結果表明，復合切削力只有在切速度超過315 m/min時才會下降。此外，考慮到表面光潔度和銑削表面存在較大的殘余拉應力，Sialon刀具可能更適合FGH96的粗加工，并且刀具側表面的主要磨損形式為粘著磨損，刀具前刀面的主要失效形式是邊緣的破碎及剝落。JADAM等[5]研究了PVD多層涂層陶瓷與PVD-TiAIN涂層PCBN硬質合金刀具對Inconel 718切削性能的影響，并與傳統無涂層WC-Co刀具進行了比較。結果表明，涂層陶瓷在切削力、表面光潔度、微小白色層等方面都優于其他兩種刀片，但是PCBN刀具比其他產品刀尖溫度更低。

在刀具結構設計和優化方面，山東大學李國超博士[6]通過采用空間幾何和曲面包絡原理，建立了砂輪磨削立銑刀容屑槽和周刃前后刀面之間的關系，采用了解析法與圖形法相結合的方法分析了砂輪磨削容屑槽的規律，并對砂輪輪廓的反求提出了新的方法，最后進行了刀具參數化三維軟件的開發。湘潭大學寧邵鵬[7]通過切削GH4169試驗研究了槽形結構對刀具切削溫度和磨損的影響，研究發現優化后的槽形改善了前刀面的摩擦，有效地降低了切削溫度，提高了刀具的使用壽命。山東大學邢佑強[8]在刀具的前刀面制備不同類別的微結構，改善了刀-屑接觸摩擦狀況，降低了切削力和切削溫度，提高了刀具的使用壽命。鄧建新[9]研究了加工高溫合金GH4169的刀具磨損機理，發現磨粒磨損集中出現在后刀面，粘結和擴散磨損主要發生在前刀面。趙軍[10]切削高溫合金GH4169，通過切削實驗發現當速度小于125 m/min時，刀具主要磨損是溝槽磨損；當速度不斷升高時，切削溫度的升高導致擴散磨損發生，造成后刀面磨損嚴重和刀尖處崩刃。BHATT等[11]研究了硬質合金刀具在高、中、低3種切削速度下切削高溫合金Inconel 718的刀具磨損機理，試驗結果表明，刀具前刀面存在月牙洼、后刀面有明顯的溝槽磨損，同時SEM和EDS分析發現前、后刀面均有粘結和磨粒磨損。COSTES等[12]研究了采用CBN刀具加工鎳基高溫合金GH4169的刀具磨損機理，SEM和EDS分析結果表明磨料、粘結和擴散是導致刀具失效的原因。

除了以上方面，也有學者在切削條件方面做了研究，GüNAY等[13]對高溫合金Nimonic 80A在干燥、風冷、油霧等切削環境下的刀具壽命、磨損特性及切削表面進行了分析，結果表明，油霧環境下的刀具壽命比干式風冷法長，并發現在噴油環境下，當切削速度達到60 m/min時，可以獲得最佳的刀具壽命與表面完整性。高壓冷卻在高溫合金等高強度鋼的加工中具有很大的優勢，可以有效降低切削溫度，提高刀具破屑性能，從而降低刀具磨損。ALAUDDIN等[14]研究了無涂層硬質合金刀具銑削Inconel 718高溫合金時的刀具磨損，實驗在干燥條件下進行，以切削時間、切削速度和進給量為恒定參數，采用全浸泡或半浸泡的方式進行上下銑削。結果表明，與半浸泡端銑削相比，全浸泡端銑削增加了刀具壽命，并且在向下銑削中刀具壽命比在向上銑削中刀具壽命更好。

1.2 高溫合金高速銑削表面完整性控制

近年來學者們一直在研究高溫合金的切削機理和工藝參數優化方法。在表面質量，尤其是表面粗糙度方面給出了相應的預測模型。徐建建[15]對銑削鎳基高溫合金的刀具進行了耐用度的試驗研究，發現切削速度對于銑削GH4169的切削時間影響最大，而每齒進給量的影響最小，對材料切除量影響最大的是切削速度，其次為每齒進給量和徑向切深。孫濤[16]利用均勻設計法設計了高速精密銑削試驗方案，用最優回歸子集法建立了高溫合金表面質量的多元二次回歸模型。王俊杰[17]研究了高速高效下銑削鎳基高溫合金工藝參數優化。LIU等[18]、MOOLA等[19]和MANGARAJ等[20]分別用灰色關聯理論、方差分析方法和響應曲面法構建了預測表面粗糙度的模型。KHAMEL等[21]構建了表面粗糙度、切削力多個目標優化模型。LI等[22]研究了銑削、磨削鎳基高溫合金GH4169對已加工表面粗糙度和疲勞特性的影響。沈陽黎明航空發動機集團科研人員[23]在對航空難加工零部件用整體刀具和加工工藝進行了大量的研究，通過工藝試驗對難加工材料進行了系統的分析。CHUANMIN等[24]利用表面輪廓儀和掃描電鏡觀察了SiCp/Al復合材料磨削過程中的表面特征，采用瑞利分布函數，基于期望思想，建立了鋁合金和碳化硅的理論表面粗糙度模型。NGERNTONG等[25]通過觀察切削表面形貌因子，提出了面銑加工表面粗糙度的質量指標，并應用模糊邏輯輔助決策，并用DOE方法與模糊邏輯模型進行了比較。結果表明，模糊模型的建立具有很高的精度和可靠性。MARIMUTHU等[26]開發了一個數學模型來優化lnconel 625的切削參數，以在干燥條件下使用TiAlN涂層刀具進行車削操作，以獲得高質量和高生產率。所采用的優化技術是田口實驗設計，以進給量、切削速度、軸向切削深度為輸入參數。結果表明，進給量和切削速度是影響表面粗糙度的重要切削參數，進給量和切削深度是影響材料去除率的重要切削參數。REDDY等[27]開發了一種遺傳算法（GA）優化方法，用于優化干磨中的表面粗糙度預測模型，使用速度、進給量、徑向前角和機頭半徑（都有低、中、高3個級別）作為可變輸入參數。所采用的優化技術為建立數學模型的RSM技術和遺傳算法優化技術。結果表明，通過選擇合適的刀具和刀具幾何形狀，使干加工成為可能，從而使加工環境友好。

隨著計算機技術的飛速發展，有學者利用人工神經網絡建模的方法，對銑削工藝參數進行建模，預測殘余應力、表面粗糙度等。KANT等[28]創立了一種將人工神經網絡技術與遺傳算法相結合的預測和優化模型，用于預測加工參數的最佳值，從而使表面粗糙度最小。模型所得預測結果與實驗值比較接近，平均相對誤差為4.11%。ZAIN等[29]利用切削速度、進給速度和徑向前角等切削參數作為刀具幾何參數，開發了基于人工神經網絡的表面粗糙度預測模型。采用Ti-6A1-4V鈦合金切削刀具對數據樣本進行了實際加工測試，研究結果表明基于3-1-1網絡結構的SNre涂層刀具在預測表面粗糙度值方面表現優異，要想獲得最佳表面粗糙度值，推薦的切削條件組合是高速、低進給率和徑向前角。JENARTHANAN等[30]使用DOE方法進行實驗設計，建立了響應面模型和神經網絡模型，對玻璃鋼的磨削表面粗糙度進行了預測。實驗以切削速度、纖維取向角、切削深度、進給量4個自變量進行。通過實驗，得出了以下結論：進給速度是影響表面粗糙度的重要參數，其次是纖維取向和切削速度。實驗結果表明，神經網絡模型的預測值與實驗數據具有良好的相關性，且預測值與實驗數據具有良好的相關性，同時人工神經網絡模型具有更高的魯棒性和精度。RAZFAR等[31]對X20Cr13不銹鋼的端面銑削工藝進行了實驗研究，除了切削深度、每齒進給量和切削速度外，它們還包括刀具與自變量。他們開發了一個神經網絡模型，基于X20Cr13的實驗數據，利用基于粒子群優化（PSO）的神經網絡建立表面粗糙度水平的預測模型，以可靠、成功和準確地提供不銹鋼的表面粗糙度。

2 總結展望

在刀具材料方面，現有研究多關注刀具材料切削性能和刀具壽命等方面的對比，涉及高溫合金高速銑削刀具材料自潤滑性能的研究較少。在刀具結構設計和優化方面，目前的研究多集中在整體式銑刀的結構設計、磨損機理研究，而涉及高溫合金銑削用機夾銑刀結構參數化設計與優化方法的研究較少。在高速銑削表面完整性控制方面，現有的研究主要集中在切削參數影響下的單一的表面粗糙度建模，而未考慮刀具參數、實際加工條件及不同加工環節對于表面質量（粗糙度、冷作硬化等）的綜合影響，涉及表面質量和加工效率綜合預測模型的研究更少。

基于上述對該領域研究現狀的分析，未來研究方向應圍繞高溫合金高速銑削，開展新型機夾式方肩銑刀研制工作，并在此基礎上探索質量效率的切削參數影響機理，構建切削效率和質量的綜合預測模型；進一步研究高速銑削中的切削力動態變化規律，構建不同工況和切削參數綜合的精準切削力預測模型；考慮切削力等條件，研究加工參數自適應調整技術。