切削參數(shù)對高速銑削Stellite6 合金切削溫度影響的研究

蔡 琨 姜增輝 牟 強 李明剛 周 超

（①沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；②四川南山射釘緊固器材有限公司，四川 宜賓 644100）

20 世紀初期，美國人Elwood Hayness 發(fā)明了Stellite（鈷基）合金，Stellite 合金主要是以鈷鉻鎢為主要元素的高溫合金，具有耐高溫、硬度高、抗腐蝕和散熱低等特點，主要應用在汽車工程以及其他重點領域[1-2]。

高速銑削Stellite 合金時，刀具與切屑接觸區(qū)域易產(chǎn)生較高的溫度，切削溫度的變化會給切屑形貌、工件材料的硬度及切削力等帶來不同程度的影響。近年來，一些國內(nèi)外的學者對切削加工仿真及試驗過程中的切削溫度進行了深入的分析與研究。劉光耀等[3]在選用加厚型圓形晶須增韌陶瓷刀片對Stellite 合金車削試驗中發(fā)現(xiàn)，切削溫度的高低與切削速度有直接關系，干式切削條件下，切削用量按vc=80～120 m/min，fz=0.15～0.30 mm/z，ap=0.5～2.0 mm 選用時，晶須增韌陶瓷刀片可發(fā)揮出較好的切削能力。黃傳真等[4]根據(jù)新型陶瓷刀具的性能特點，對鎳基Inconel 718 合金進行切削加工研究，結果發(fā)現(xiàn)切削速度的增大會使得切削溫度升高，且切削溫度的升高變化趨勢快的影響規(guī)律。Lee W J等[5]分析端面銑削過程中的溫度行為，建立了簡單準確的溫度預測模型，發(fā)現(xiàn)切削溫度主要受到進給量的影響。耿國盛[6]通過夾絲熱電偶測溫的方法，在高速銑削鈦合金時，對工件與不同種類型號刀具的后刀面的接觸區(qū)域進行了瞬時溫度測量，得出在經(jīng)過切削弧區(qū)時刀具切削刃的最大與最小溫度；將試驗測量的兩種鈦合金的切削溫度進行了結果對照分析。Thakur D G 等人[7]使用K20 刀具對鎳基Inconel 718 合金進行高速車削試驗，發(fā)現(xiàn)了切削區(qū)的溫度隨著切削速度的升高而不斷升高，且K20 牌號的硬質(zhì)合金刀具具有良好的切削加工性能。Sridhar A K等人[8]對復合材料碳纖維增強鋁層合板鉆孔綜合試驗進行了研究，分析表明加工溫度隨著主軸轉速的增加與軸向進給量的降低而增加。Zhuang K J 等[9]論證陶瓷刀片車削Ti6Al4V 時刀口磨損的形成及機制，采用一種溫度預測模型，從溫度分布的角度定量描述刀口磨損的形貌。Li X G 等[10]對鎳基Inconel 718 高溫合金連續(xù)銑削加工進行了深入分析，研究發(fā)現(xiàn)銑削用量對切削溫度產(chǎn)生的影響依次為fz＞ap≈n，并得到切削溫度的經(jīng)驗公式以及最優(yōu)銑削參數(shù)。

基于Deform-3D 軟件建立高速銑削Stellite6 合金工件的仿真模型，通過正交試驗及仿真研究銑削參數(shù)對切削溫度的影響，對加工過程中降低切削溫度和延長刀具壽命具有重大意義。

1 仿真模型與試驗設備

1.1 本構模型

Johnson-Cook 本構模型相比于其本構模型，其模型參數(shù)較易獲得，且在金屬切削仿真中應用最為廣泛，模型的表達式為

式中：Α為初始屈服應力；B為材料應變強化參數(shù)；εp為等效塑性應變；C為材料應變率強化參數(shù)；ε˙0為材料參考應變率； ε˙為等效塑性應變率；m為材料熱軟化指數(shù)；T*為同系溫度；Tm為融化溫度；Tr為室溫。Stellite6 合金的Johnson-Cook 本構模型參數(shù)與基本性能參數(shù)[11-12]見表1、表2。

表1 Stellite6 合金的 J-C 模型參數(shù)

表2 Stellite6 合金的基本性能參數(shù)

在仿真切削中刀具與工件之間選擇剪切摩擦模式，環(huán)境溫度設定為20 ℃，熱傳導率為0.02，摩擦因子為0.6。

1.2 工件與刀具

建立Stellite6 合金工件仿真模型，為保證仿真的準確度，在劃分網(wǎng)格時，將工件的最小單元尺寸設定范圍為每齒進給量的50%，尺寸比設定為8，工件網(wǎng)格劃分后的仿真模型如圖1 所示。如圖2 所示，試驗所用Stellite6 工件長100 mm、寬100 mm、高20 mm，工件表面有兩個M8 的螺紋孔，以便加工時固定工件。

圖1 工件仿真模型

圖2 試驗工件

如圖3 所示，銑削Stellite6 合金時選擇可樂滿刀具，刀柄型號為345-040C4-13M，刀片型號為345R-13T5E-MM，刀片材料牌號為S30T。

圖3 刀柄與刀片的實體

對圖3 中選用的刀具進行三維建模，如圖4 所示。

圖4 刀柄與刀片的模型

1.3 試驗機床與測溫儀

試驗的加工設備為SMTCL 公司生產(chǎn)的VMC850E立式加工中心測量切削溫度的方法為紅外線熱成像法，選用FLUKE 紅外熱像儀，型號為TiX660。

2 仿真與試驗研究方案

一般情況下高速切削加工的切削速度與進給速度的大小是常規(guī)的5～10 倍以上， Stellite6 合金為難加工材料，其使用TiAlN 涂層刀具的高速切削速度為70～100 m/min。以銑削參數(shù)的切削速度vc（m/min）、每齒進給量fz（mm/z）、軸向切深ap（mm）和徑向切深ae（mm）作為4 個主要影響因素，分別用大寫字母A、B、C、D 表示，設計四因素四水平的正交仿真切削及切削試驗共用方案見表3。

表3 正交仿真試驗因素水平表

3 結果與分析

3.1 仿真與試驗結果

圖5 為切削參數(shù)vc=90 m/min、fz=0.08 mm/z、ap=0.8 mm,ae=36 mm 時高速銑削過程中的仿真溫度云圖。

圖5 高速銑削仿真溫度云圖

圖6 為高速銑削試驗過程的加工動態(tài)圖，采用逆銑干式的銑削加工方式，用紅外熱像儀測量切削溫度。

圖6 加工動態(tài)圖

圖7 為切削參數(shù)vc=80 m/min,fz=0.12 mm/z，ap=0.4 mm,ae=36 mm 時FLUKE 紅外熱像儀測量的試驗切削溫度云圖。

圖7 FLUKE 紅外熱像儀測量試驗切削溫度云圖

根據(jù)表3 所建立的正交表進行16 組數(shù)據(jù)仿真與試驗，仿真切削溫度為銑削過程中切削穩(wěn)定時溫度的平均值，仿真結果見表4。試驗切削溫度是測量5 次切削區(qū)域內(nèi)瞬時溫度的平均值，試驗結果見表5。

表4 高速銑削Stellite6 合金的L16（44）切削溫度仿真結果

表5 高速銑削Stellite6 合金的L16（44）切削溫度試驗結果

仿真與試驗的切削溫度對比如圖8 所示，仿真切削溫度整體高于試驗切削溫度。試驗切削溫度受到環(huán)境溫度、刀體傳熱性能以及溫度測量距離的影響，散熱渠道較多，導致試驗測量的切削溫度偏低。在相同銑削參數(shù)中，兩者的變化趨勢基本相同，仿真結果與實際加工相符。

圖8 仿真切削溫度與試驗切削溫度的對比

3.2 極差分析

高速銑削Stellite6 合金的切削溫度仿真與試驗的極差分析結果見表6、表7，在表3 所示的銑削參數(shù)范圍內(nèi)，仿真切削與試驗切削得到同樣結果，它們對切削溫度的影響程度次序均為vc＞fz＞ap＞ae，以最小切削溫度為目標的銑削參數(shù)最優(yōu)方案均為A1B1C1D1，即vc=70 m/min、fz=0.08 mm/z、ap=0.4 mm、ae=18 mm。

表6 Stellite6 合金切削溫度的仿真極差分析表

表7 Stellite6 合金切削溫度的試驗極差分析表

切削速度對切削溫度的影響如圖9 所示。試驗及仿真的切削溫度都是隨著切削速度的增大而增大。在試驗切削中vc=90～100 m/min 時，切削溫度增加速率較快，主要原因是較高的切削速度下，刀具后刀面磨損加快，增大了后刀面與工件的接觸面積，使摩擦加劇，切削溫度顯著升高。

圖9 切削速度對切削溫度的影響規(guī)律

每齒進給量對切削溫度的影響如圖10 所示。試驗與仿真的切削溫度都隨著每齒進給量的增加而增加。當fz=0.08～0.12 mm/z 時，每齒進給量的增加會使切削溫度顯著升高，而fz=0.12～0.20 mm/z時，切削溫度增加較為緩慢。主要原因是每齒進給量較大時切屑厚度較大，能帶走較多的熱量，切削溫度升幅較低。

圖10 每齒進給量對切削溫度的影響規(guī)律

軸向切深對切削溫度的影響如圖11 所示。試驗及仿真的切削溫度均隨著軸向切深的增加而增加，但變化幅度較小。主要是因為切削寬度增大，切削面積增大，使得散熱面積也增大，熱量散失較快。

圖11 軸向切深對切削溫度的影響規(guī)律

徑向切深對切削溫度的影響如圖12 所示。試驗及仿真的切削溫度都隨著徑向切深的增大而增大，但兩者變化趨勢很小，其中試驗切削溫度近似于一條水平的直線。主要原因是徑向切深越大，刀具切削軌跡的弧長越大，切削面積與散熱面積就會變大，且形成的切屑越長，帶走的熱量越多，導致殘留的熱量越少，切削溫度的變化就會很小。

圖12 徑向切深對切削溫度的影響規(guī)律

3.3 方差分析

通過計算得到仿真與試驗方差分析結果見表8、表9，臨界值F分別取F0.05（3,3）=9.28，F(xiàn)0.01（3,3）=29.46，銑削參數(shù)對切削溫度的顯著性的順序均為：vc＞fz＞ap＞ae，由此可知方差分析結果與極差分析結果相同。

表8 仿真切削溫度的方差仿真分析

表9 試驗切削溫度的方差試驗分析

3.4 建立切削溫度的經(jīng)驗公式

對表4、表5 中仿真與試驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，分析結果如表10 所示，T與vc、fz、ap和ae之間的線性回歸經(jīng)驗公式如下：

根據(jù)復相關系數(shù)顯著性檢驗的原則，0.8＜R＜1表明擬合程度良好，若R值越接近于1，則表明擬合程度越高，由表10 中仿真與試驗的R值可知仿真與試驗的擬合程度都較高。對經(jīng)驗公式進行顯著性分析，正交仿真與試驗次數(shù)n=16，自變量因素m=4，取臨界值F0.01(4,11)=5.67，仿真與試驗的F值均大于臨界值，表明經(jīng)驗公式線性關系顯著。

4 結語

研究了高速銑削Stellite6 合金過程中銑削參數(shù)對切削溫度的影響規(guī)律，得到如下結論：

（1）選用的銑削參數(shù)范圍內(nèi)，銑削參數(shù)對切削溫度影響的主次順序為vc＞fz＞ap＞ae，得到切削溫度最小的最優(yōu)參數(shù)：vc=70 m/min、fz=0.08 mm/z、ap=0.4 mm、ae=18 mm。

（2）每齒進給量fz及軸向切深ap對切削溫度的影響均為顯著，而徑向切深ae對切削溫度的影響為不顯著。

（3）試驗研究顯示切削速度vc對切削溫度的影響為十分顯著，而仿真研究顯示切削速度vc對切削溫度的影響為顯著。

（4）切削溫度的變化與切削速度、每齒進給量、軸向切深及徑向切深都成正相關。