高　奇　鞏亞東　周云光

1.東北大學(xué)，沈陽，110819　2.遼寧工業(yè)大學(xué)，錦州，121001

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單晶Ni3Al基高溫合金微銑削表面粗糙度試驗(yàn)研究

高奇1,2鞏亞東1周云光1

1.東北大學(xué)，沈陽，1108192.遼寧工業(yè)大學(xué)，錦州，121001

摘要：為研究單晶高溫合金的微銑削表面粗糙度，采用直徑為0.8 mm的雙刃硬質(zhì)合金微銑刀，對典型的單晶Ni3Al基高溫合金IC10進(jìn)行微尺度銑削的三因素五水平正交試驗(yàn)研究。通過極差分析找出主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、進(jìn)給深度對微銑削表面質(zhì)量影響的主次因素。通過優(yōu)化獲得理想的切削工藝參數(shù)組合，所獲表面粗糙度為801 nm。對其切削機(jī)理和影響表面質(zhì)量的原因進(jìn)行深入的分析，其結(jié)果對單晶高溫合金的微加工理論的機(jī)理揭示具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：微銑削；單晶；Ni3Al基高溫合金；表面粗糙度

0引言

微銑削是指用微型銑刀對微小零部件進(jìn)行精密銑削的加工技術(shù)，微型銑刀的直徑通常小于1 mm[1-2]。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：微銑削與傳統(tǒng)銑削在系統(tǒng)的剛度、切削條件、切削用量等方面差異都很大。只有通過有效的方式選擇適合的加工條件和切削條件，零部件的加工精度和表面質(zhì)量才會得以保證[3]。

單晶Ni3Al基高溫合金具有優(yōu)異的蠕變、疲勞、氧化及腐蝕抗力等特性，能夠很好地滿足航空航天、能源、動力、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)Ω邷丨h(huán)境下具有高強(qiáng)度的微型零部件材料的要求，因此被廣泛地應(yīng)用于超微型渦輪發(fā)動機(jī)的葉片、微型火箭發(fā)動機(jī)噴嘴等高溫部件。Ni3Al基高溫合金屬于典型的難加工材料，主要表現(xiàn)在:①常溫和高溫強(qiáng)度高，切削力大；②加工硬化傾向大，切削困難；③刀具磨損嚴(yán)重，甚至破碎；④熱導(dǎo)率低，加工過程中切削溫度高；⑤工件易產(chǎn)生熱變形，加工表面質(zhì)量和精度不易保證。

國內(nèi)外學(xué)者對單晶硅、銅、多晶高溫合金的微銑削進(jìn)行了深入的研究工作[4-6]，但關(guān)于單晶高溫合金的微銑削在國內(nèi)尚未見報道。受微加工尺度效應(yīng)和單晶高溫合金不易加工等特點(diǎn)的影響，傳統(tǒng)銑削理論不再適用[7-9]。本文針對單晶Ni3Al基高溫合金IC10的微銑削進(jìn)行深入研究，通過極差分析優(yōu)化給出合理的加工工藝方案，并對影響表面質(zhì)量的因素和刀具的磨損機(jī)理進(jìn)行了深入分析。

1Ni3Al基高溫合金IC10微銑削試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在3D微銑床平臺JX-1型機(jī)床上進(jìn)行，如圖1所示。 X、Y、Z軸工作行程分別為490 mm、490 mm、120 mm，系統(tǒng)采用NSK氣動主軸，其最大轉(zhuǎn)速為60 000 r/min；主軸的徑向和軸向跳動度在0.1 μm以內(nèi)；采用動態(tài)測試系統(tǒng)，對微加工過程進(jìn)行力和振動的實(shí)時監(jiān)測；采用VHX-1000E超景深顯微鏡觀察其表面形貌；對試驗(yàn)加工后的微溝槽底表面粗糙度值用STIL激光三維輪廓儀進(jìn)行測量，測量精度為0.001 μm，其測量范圍為0.02~20 μm。

1.2試驗(yàn)材料

采用切削刃直徑為0.8 mm的M.A.Ford未鍍層硬質(zhì)合金螺旋微立銑刀(WC-Co)，其螺旋角為30°，齒數(shù)為2，前角、后角和切削刃圓弧半徑分別為7.5°、 4.5°和1.02 μm。

圖 1　微銑削試驗(yàn)設(shè)備與刀具

試驗(yàn)用加工材料為單晶Ni3Al基高溫合金IC10，其化學(xué)成分范圍見表1。

表1　高溫合金IC10化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

材料的制備采用真空感應(yīng)熔煉的IC10母合金錠，在定向凝固爐上進(jìn)行重熔，制備[0 0 1]方向柱晶試棒。IC10合金的典型鑄態(tài)組織除γ和γ′外，在枝晶間分布有“葵花”狀γ+γ′共晶組織以及碳化物，具有非常良好的抗氧化、抗高溫性能，不易加工。試棒經(jīng)過線切割呈長條狀，用螺釘夾緊到夾具上，如圖2所示，以便于在其上加工微溝槽。微銑削前通過磨削找平，去除線切割后的硬化層。圖3所示為微銑槽加工過程。

圖2　WEDM 試驗(yàn)棒料　　　　圖3　加工過程

1.3試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)為五水平三因素，即L25(53)。三因素分別為主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度v和軸向銑削深度ap,如表2所示。選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速，主要是微銑刀切削刃直徑小，要提高銑削線速度，改善溝槽底面質(zhì)量，減少溝槽毛刺數(shù)量，必然要提高主軸轉(zhuǎn)速。進(jìn)給速度的選擇主要是依據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量而選定，并且需要保證最小切削厚度大于刀具切屑刃圓弧半徑。軸向銑削深度的選擇主要考慮與微銑刀的特性、加工條件及其相關(guān)文獻(xiàn)研究。

表2　正交試驗(yàn)因素水平表

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照正交試驗(yàn)因素水平表中相應(yīng)的微銑削參量，對IC10合金進(jìn)行了微溝槽的銑削試驗(yàn)，用STIL激光三維輪廓儀測量溝槽底面的表面粗糙度Ra，建立正交試驗(yàn)表。所測Ra如表3所示。

表3　微銑削正交試驗(yàn)表

2.1極差統(tǒng)計(jì)分析

采用極差分析和方差分析的方法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的比較，選擇合理的微尺度銑削工藝參數(shù)。IC10合金微銑削溝槽的表面粗糙度用極差分析方法分析結(jié)果如表4所示。

表4　IC10合金微溝槽的表面粗糙度

表4中，Kij表示某一因素i在同一參數(shù)水平j(luò)下的加工表面粗糙度值之和；V表示各因素在同一水平下粗糙度值的方差；R表示各因素在同一水平下粗糙度值的極差，R反映了粗糙度值的變動幅度，R越大，該因素對加工表面粗糙度的影響越大。由表2并根據(jù)R和V的大小可以判斷：在此微尺度銑削試驗(yàn)中，對加工表面粗糙度的影響由大到小依次為：銑削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，優(yōu)化出的工藝組合為A1B1C4。對此方案進(jìn)行了5次重復(fù)試驗(yàn)，測得表面粗糙度值為801 nm。通過對比得知，A1B1C4方案最優(yōu)，如圖4所示。

(a)表面粗糙度Ra=801 nm

(b)表面形貌圖4　微銑削最優(yōu)表面質(zhì)量

2.2各工藝因素對表面粗糙度的影響

(1)主軸轉(zhuǎn)速。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，微銑削溝槽表面粗糙度先呈增大的趨勢，但到了一定的轉(zhuǎn)速(55 000 r/min左右)，其表面粗糙度又有減小的趨勢。這主要是因?yàn)樵谳^大轉(zhuǎn)速下，切屑與前刀面的接觸面的有效摩擦減小，導(dǎo)致變形系數(shù)減小，切屑變形時間縮短，切屑在瞬間被切離工件，大部分切削熱由切屑帶走，減小了切削力和產(chǎn)生積屑瘤的可能性，提高了單晶合金的加工精度和表面質(zhì)量。

(2)銑削深度。隨著銑削深度的增加，微銑削溝槽表面粗糙度逐漸增大，這一因素的影響最為明顯，主要是單晶IC10為黏性難加工材料，系統(tǒng)機(jī)床具有一定的徑向和軸向的跳動誤差，銑削深度較小時，在銑削力穩(wěn)定的加工過程中，表面粗糙度變化幅度較小。若繼續(xù)增大切削深度，則會導(dǎo)致切削力幅值波動加大，引起工件、刀具變形，產(chǎn)生切削振動，造成表面粗糙度顯著增大；但過小的切削深度亦會產(chǎn)生犁耕現(xiàn)象，形成附加的塑性變形，增大表面粗糙度值。因此，選擇一個較低的銑削深度對其微加工有利。

(3)進(jìn)給速度。隨著進(jìn)給速度的增大，微銑削溝槽表面粗糙度有先增大后減小再增大的趨勢。這主要是因?yàn)楫?dāng)最小切削厚度小于刀尖圓弧半徑時，造成擠壓和犁耕，累積到一定程度，形成切屑，粗糙度較大；當(dāng)最小切削厚度大于刀尖圓弧半徑時，粗糙度先減小后增大。因此，增大進(jìn)給量在提高加工效率的同時，增大了殘留面積的高度，直接造成了表面粗糙度值的增大，這與傳統(tǒng)銑削理論一致。因此，根據(jù)其平均表面粗糙度的大小選擇一個較高的進(jìn)給速度對其微加工有利。

2.3刀具磨損對加工表面質(zhì)量的影響

(a)銑削前切削刃半徑　　 (b)銑削后切削刃半徑圖5　刀具切削刃磨損

經(jīng)過25組正交試驗(yàn)，刀具磨損情況如圖5所示。根據(jù)超景深顯微鏡觀察結(jié)果可知，微銑刀切削刃有一定量的磨損，加工前切削刃圓弧半徑為1.02 μm，磨損后切削刃圓弧半徑為3.26 μm。刀尖和切深方向的溝紋磨損是主要的失效形式，切削應(yīng)力遠(yuǎn)高于普通金屬，同時存在加工硬化層，使得在變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的熱和切應(yīng)力。尤其是硬質(zhì)合金刀具容易發(fā)生黏結(jié)劑軟化、刀刃變形和熱裂導(dǎo)致失效。刀具的磨損、破損及耐用度關(guān)系到切削加工的質(zhì)量、成本和效率。因磨損后的刀具刃口半徑會急劇增大，導(dǎo)致最小切削深度變大，對切削力、切削熱以及加工表面質(zhì)量會造成非常大的影響。因此，需要在每5組試驗(yàn)后更換刀具，以保證試驗(yàn)過程中每組參數(shù)下所用微銑刀的刃口半徑基本一致。

3結(jié)論

采用直徑為0.8 mm的微銑刀，對單晶Ni3Al基高溫合金IC10進(jìn)行微銑削的三因素五水平正交試驗(yàn)，得出不同因素對加工表面質(zhì)量影響由大到小依次為：銑削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，獲得了優(yōu)化工藝工藝方案，此時的加工表面粗糙度為801 nm。由于表面加工硬化層和彈性回復(fù)的存在，引起工件、刀具變形，產(chǎn)生切削振動，銑削深度對表面質(zhì)量的影響較大，造成表面粗糙度顯著變化。加工后的刀具磨損量較大，進(jìn)行重復(fù)校驗(yàn)試驗(yàn)時要在每5組試驗(yàn)前更換刀具，以保證每組參數(shù)下所用微銑刀的加工刃口半徑一致。

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(編輯王旻玥)

Experimental Study on Surface Roughness in Micro-milling of Single Crystal Ni3Al-based Superalloy

Gao Qi1,2Gong Yadong1Zhou Yunguang1

1.Northeastern University, Shenyang, 110819 2.Liaoning University of Technology, Jinzhou,Liaoning, 121001

Abstract：Two-edged carbide alloy micro-milling tool with 0.8mm diameter was used to study micro-milling surface roughness of Ni3Al-based superalloy. An orthogonal experiment of three factors and five levels was implemented to microscope milling of typical single crystal Ni3Al-based superalloy IC10. The influences of primary and secondary factors of spindle speed，feed rate，feed depth on micro-milling surface quality were found according to the range analysis. The ideal cutting process parameter combination was optimized and obtained, the surface roughness is as 801 nm. Its cutting mechanism and the reasons affecting the surface quality were analyzed. The test results have certain guiding significance to the microscope milling mechanism of single crystal superalloy.

Key words：micro-milling; single crystal; Ni3Al-based superalloy; surface roughness

作者簡介：高奇，男，1981年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院博士研究生，遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)槲⒓庸?、?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。 鞏亞東，男，1958年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。周云光，男，1985年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院博士研究生。

中圖分類號：TH161

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.017

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375082)

收稿日期：2015-05-19