高速铣削镍基高温合金GH3039切屑变形研究

吴　桐,　赵　灿,　白玉婷

(1.黑龙江科技大学, 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学, 工程训练与基础实验中心, 哈尔滨 150022)



高速铣削镍基高温合金GH3039切屑变形研究

吴桐1,赵灿1,白玉婷2

(1.黑龙江科技大学, 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学, 工程训练与基础实验中心, 哈尔滨 150022)

为探讨高速切削中切屑的微观形态和变形机理,以镍基高温合金GH3039为基体,采用单因素铣削实验的方法,对锯齿形切屑变形机理及切屑进行了相关研究。分析了高速铣削状态下锯齿形切屑的演变过程,切削参数的改变对锯齿形切屑的影响,使用Digimizer测量软件对不同切屑参数下的切屑进行测量分析。结果表明:在高速铣削加工状态下,切屑形态为锯齿形切屑,并随着铣削速度的提高,锯齿形切屑频率增高,铣削深度和每齿进给量对切屑形态无太大影响;剪切角随铣削速度的增高而增大,锯齿化程度越来越高;铣削速度的变化对切屑有决定性的影响,是形成锯齿形切屑的重要因素。

高速铣削; GH3039; 切屑变形; 陶瓷刀具

0　引　言

高速切削技术正越来越多地应用于航空航天、船舶制造、模具加工等领域。高速切削可以有效地减少加工时间,提高加工精度及表面质量。目前,国内外已经形成了高速切削加工技术的研究和开发体系,其中包括高速切削加工理论、加工工艺、机床、工件、刀具等。

镍基高温合金的加工性能不好，对他的研究还局限在对其切削力、加工参数的选择和刀具磨损、切屑绝热剪切行为发生后其力学模型的建立以及锯齿形切屑产生的临界条件的预测等方面,且其加工方式多数为车削[1-5]。对于高速铣削加工中切屑的研究文献鲜见,由于实验条件的限制,使得之前的实验手段很难得到切屑的显微观测,因此,尚须进行高速铣削过程中切屑微观形态方面的研究。

文中采用单因素铣削实验的方法,选用镍基高温合金GH3039作为加工材料,通过显微观察和理论分析,对切屑微观形态进行探讨性研究。

1　高速铣削切屑变形分析

镍基高温合金是最难加工的材料之一,加工时切削力大、切削温度高,刀具磨损严重,加工效率低。实现镍基高温合金高速切削的关键因素之一是先进的刀具材料。实验所用刀具为绿叶的WG300陶瓷刀具,直径φ8,刀片型号RPGN-2.52 T1A,刀杆型号为WSRP-2520R,直径φ25。

1.1切屑形态演变过程

在铣削过程中,铣削参数的改变将影响到切屑变形的临界条件,使其在临界条件前后出现带状和锯齿状两种形态的切屑。带状切屑是以均匀滑移的变形方式在普通切削速度下形成的,锯齿形切屑则是在高速切削条件下形成。切屑厚度在其为带状切屑时无太大的变化,锯齿形切屑在高速下的变形极不均匀并且发生循环起伏和周期性变化[2]。

实验中，对铣削切屑进行镶嵌、研磨、抛光、腐蚀后,利用扫描电镜观察其横截面,发现在高速铣削过程中只出现锯齿形切屑,图1为铣削速度vc=210 m/min,刀具前角γ0为-6°锯齿形切屑的显微照片。由此可以看出,在整个切屑形成后,切屑区域根据其变形的不同在沿长度的方向上,出现了以切屑基块为主的梯形区和以发生集中剪切滑移为主的剪切带区,后者在基体之间呈周期性的排列,使其有规则性的分割屑块基体。

图1　锯齿形切屑

1.2剪切角

金属切削过程中切屑的形成模型如图2所示,其中v、vc、ac、γ0、φ分别表示其切削加工中的切削速度、切屑速度、切削厚度、刀具前角、剪切角,s表示切削过程中由于切屑变形产生的为第一变形区厚度,δ则表示切屑产生锯齿形切屑时切屑变形引起的第一变形区内的剪切带宽度,图2中的Fc、FT则表示其切削过程中产生的切削力。

图2　切屑形成模型

从起始铣削速度220 m/min开始切屑即为锯齿形态,且随着铣削速度的提高,锯齿生成频率增大,锯齿间距紧凑;同时由于切屑绝热剪切变形区内温度升高,切屑材料发生热软化效应,使得剪切变形抗力变小,铣削力降低。

由图2可以看出,锯齿形切屑的剪切角大于带状切屑。文献[2]通过研究难加工材料的绝热剪切行为,得到切削速度、刀具前角、工件硬度的变化都会对剪切角的大小产生影响的结论。文中对同样是难加工的镍基高温合金材料进行实验,得到铣削速度对剪切角的影响。图3是fz=0.15 mm 、ap=1.5 mm、γ0=-6时,不同铣削速度下切屑的剪切角。如图3所示,随着铣削速度的提高,切屑剪切角呈线性增加。

图3　不同铣削速度下切屑的剪切角

通过对锯齿形切屑的铣削力、剪切角测量分析得出,铣削过程中随铣削速度的提高,刀具与工件接触处摩擦作用增强使其铣削温度升高,铣削过程中产生的热量大部分由切屑带走,而这部分热量会导致切屑材料发生热软化效应,使得与切屑接触处刀具前刀面上的剪切力降低。通过分析得出剪切角的增大将会使切屑形成过程中的厚度有所降低,与此同时又使得切屑和刀具前刀面的接触面积继续减小,从而使铣削力降低到一定程度。

2　切屑的齿距与切削比

2.1齿距

切削速度和刀具前角绝对值的改变,将会影响到切削过程中产生的锯齿形切屑的平均齿距及单位切削力,具体的影响关系,M. A. Davies 认为平均齿距随切削速度降低和刀具前角绝对值的减小而减小[6-9]。

图4是使用DIGIMIZER软件对pc和p测量的示意,pc和p分别表示切屑形成后的齿距和切屑自由表面上的锯齿单元宽度。图5为γ0=-6°时,在不同铣削参数下测量得到的镍基高温合金GH3039锯齿形切屑的平均齿距pc变化的分析图。由图5a可知,随着铣削速度的增加齿距呈增大趋势。且当 290≤v≤320 m/min时,齿距随着铣削速度的增加突然增大,出现陡峭形状;当v超过320 m/min 之后,锯齿形切屑的平均齿距随铣削速度的增加有缓慢上升的趋势,但总体还是趋于稳定的。在铣削速度vc=210 m/min,每齿进给量fz=0.08 mm/齿,ap=1.5 mm条件下,在不改变铣削宽度ae=17 mm,单因素改变ap和fz,切屑形态无太大变化;在金属切削过程中,文献[2]对难加工材料的切屑由带状切屑转变为锯齿形切屑的临界条件已作过研究,文中将继续深入研究在高速铣削时,即在铣削速度继续增高的情况下切屑的形态分析。当fz=0.15 mm,ap=1.5 mm时,不同速度的锯齿形切屑形成的同时,变形开始集中在锯齿之间比较窄的区域内,即绝热剪切带。随着铣削速度的增加,铣削温度升高,绝大部分热量随着切屑流走,导致切屑材料受热软化,硬度降低,易形成锯齿形切屑。故切屑的锯齿形状变小,分布亦越来越紧凑,即切屑变形的频率加大。

图4　pc和p的测量

图5　不同切削条件下的切屑锯齿变化

图5b为每齿进给量改变时其平均齿距pc的变化分析,由图5b可知,平均齿距随着每齿进给量的增加首先出现增大的趋势,随后继续改变每齿进给量,其平均齿距无太大变化。当每齿进给量fz从0.1增加到0.12 mm时,其平均齿距分别增加到69和 99 μm,由此可知,在此每齿进给量范围内,切屑的平均齿距pc变化明显。同时可以看出,每齿进给量对平均齿距的变化有着非常重要的影响,当fz>0.12 mm/齿后,平均齿距变化趋于平稳缓慢的增加。

2.2切削比

朱雨恩[10]对钛合金锯齿形切屑的切削比进行分析得出:切削比的变化是受到加工刀具前角和切削速度的共同作用的,刀具前角在0和-10°时切削比随切削速度的提高而增大。文中选择的刀具前角为-6°,假设切屑在形成过程,除了剪切带内产生变形之外,锯齿单元没有因挤压发生塑性变形。则切削比为

(1)

通过式(1),计算得到不同铣削条件下的近似切削比r,切削比与铣削参数之间的关系如图6所示。

图6　不同切削条件下切屑的切削比

Fig. 6Cutting ratio of chips in different cutting condition

由图6a知,随着切削速度vc的增加,切削比r先增大后减小,即在vc从220增加到230 m/min时,切削比是升高的;随后r值开始降低,vc在290 ～320 m/min范围内r又开始上升,320 m/min后切削比下降。图6b可知,r随每齿进给量fz的增加先增大后减小,最后趋于稳定缓慢降低状态。分析图6后得出铣削速度和每齿进给量对切削比都有一定程度的影响。

3　切屑的锯齿化程度

对于连续型带状切屑的变形程度,可在电子显微镜下获得特定放大倍数的微镜照片,并利用专门的图形测量软件Digimizer测量其厚度。通常使用切屑变形系数ξ或切削比r来度量,其定义为

(2)

对于在切削加工过程中生成的锯齿形切屑,齿顶与齿根的厚度,由于材料发生热软化引起塑性变形,所以对于以前比较传统的变形系数法,已经无法正确衡量切屑的塑性变形程度。

图7锯齿形切屑变形系数和锯齿化程度的显微测量照片

Fig. 7Micrograph of deformation coefficient and degree of serrated chips

文献[8]中,引入参数锯齿高度比Gs来衡量锯齿形切屑的变形程度,其测量方法如图7所示。锯齿高度比

(3)

式(3)中,H为齿顶到切屑底部的垂直距离,h1为锯齿齿底到切屑底部的垂直距离。图8所示为不同铣削速度下锯齿形切屑的锯齿化程度测量结果。由图8分析可知,铣削速度对锯齿化的产生有显著影响。当vc由220 m/min增加到240 m/min时,锯齿化程度曲线陡峭,在此过程中,由于铣削速度的增加,切削加工过程中切屑材料的热软化作用增强,使得切屑更易形成锯齿形切屑,但由于其突发性会使机床、工件瞬时冲击增大,此铣削速度范围并不适合实际生产加工。随着铣削速度继续增加,在240和290 m/min之间,其切屑的锯齿化程度缓慢增大,趋于稳定,此时适合加工。随后,vc超过290 m/min开始,相对曲线陡峭部分,锯齿化程度上升缓慢,并逐渐趋近于1。这说明随着铣削速度增大,锯齿形切屑内基体屑块之间的接触长度整体趋势是逐渐减小,剪切带内的变形加剧,并最终会导致屑片彼此分离。

图8　不同铣削速度下的切屑锯齿化程度

4　切屑微观形态分析

文献[2]中,对高强度钢的切屑形态分析后,得到其切屑在低速下形成以组织剧烈拉长为特征的形变带,高速下形成以组织严重细化为特征的转变带的结论。图9是镍基高温合金GH3039在切削过程中的切削形态。由图9可知,上述规律亦适合于高速铣削镍基高温合金,且随着铣削速度的增加,切屑的形态越来越规则。速度较低时,切屑和刀具接触的时间增长,增加切屑和刀具之间的摩擦时间,最终导致切屑的变形明显。随着速度的增高,会减少切屑受到刀具摩擦的时间,使得前刀面平均摩擦系数降低,切屑的变形变得不明显。这说明,首先铣削速度是切屑形态是否规则的重要原因;另外，随着铣削速度的增加,铣削温度逐渐升高,摩擦系数下降,切屑受到的摩擦力减小,因而切屑的变形就越小。由图9知锯齿形切屑的形成对铣削力有着重要的影响。

图9　镍基高温合金切削过程中的切屑形态

Fig. 9Chip forms of nickel base super alloy in machining

5　结束语

镍基高温合金材料在高速铣削加工状态下,切屑基本为锯齿形。通过观察和测量在不同铣削条件下切屑形态的演变过程、剪切角以及切屑变形,结果表明,随着铣削参数的提高,齿距变的越来越明显,锯齿化程度越来越高,切削比变化较为复杂;相比较而言,铣削速度的增大对锯齿形切屑的影响较为明显。通过理论分析和铣削实验验证,对切屑剪切角测量分析得出,剪切角随铣削速度的增高而增大。

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(编辑徐岩)

Study on nickel-based superalloy GH3039 chip deformation for high-speed milling

WUTong1,ZHAOCan1,BAIYuting2

(1.Morden Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. Center for Engineering Training & Basic Experimentation, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is concerned with investigating the serrated chips and chip deformation mechanism. The investigation is performed by using nickel-based superalloy GH3039 and milling single factor test as matrix and employing single factor milling experiment method; analyzing serrated chip’s evolution of the state of the high-speed milling process, the impact of changing the cutting parameters on serrated chips and using Digimizer software to measure and analyze the chipping taking place under different chip parameters. The investigation suggests that， in the high-speed milling state, the chipping takes place in the form of serrated chipping, and has an increased frequency due to increasing milling speed, without being affected by milling depth and feed rate per tooth; shear angle and the degree of sawtooth are increased as milling speed increases; the change in the milling rate has a decisive influence on the chip and is an important factor in the formation of serrated chips.

ceramic cutter; GH3039; chips deformation; ceramic cutter

2015-03-26

国家自然科学基金项目(51405138);黑龙江省自然科学基金项目(E201328)

吴桐(1981-),男,黑龙江省哈尔滨人,工程师,研究方向:多轴数控加工工艺参数优化,E-mail:123747678@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.017

TG506.7

2095-7262(2015)03-0311-06

A