GH4169是一种高硬度、高强度、耐腐蚀和耐高温的镍基合金材料，具有良好的抗疲劳、抗蠕变、抗氧化和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空、宇航制造等领域。但是，GH4169属于典型的难加工材料，切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、塑性变形大，加工过程存在切除率大、耗时长与成本高等问题。
插铣法又称Z轴铣削法，是一种能够在Z轴方向上快速铣削大量金属的加工方式。插铣加工具有径向力小、刀具悬伸量大与加工效率高等特点，特别适用于型腔及难加工材料的粗加工或半精加工。因此，使用插铣法来加工高温合金类难加工材料，能够显著提高加工效率、节约生产成本。
国内外学者对于插铣进行了大量的研究，Tlusty等将插铣加工方法应用于垂直壁板类零件的加工。Rauch.M等将插铣法用于型腔铣削，对该方法在铝合金加工中的潜力进行评估，并与传统的加工方法在切削效率、加工质量和刀具动态性能等方面作了比较。Altintas等研究了插铣加工的颤振稳定性，介绍了插铣加工的频域模型和颤振稳定性预测理论，并建立了再生切屑厚度模型。秦旭达等针对钛合金(Ti-6Al-4V)的切削特点，研究了Ti-6Al-4V的插铣过程，分析了切削力的特点，建立了钛合金(Ti-6Al-4V)插铣切削力模型，并对切削力的变化规律进行了研究。任军学等针对钛合金整体结构件粗加工的插铣和侧铣工艺，从切削力、切削稳定性、切削温度等方面进行了切削试验和对比分析。试验结果表明，与侧铣相比，插铣切削力小、切削温度低且切削稳定性高。但是，关于高温合金的插铣研究还比较少，尤其对难加工材料GH4169插铣加工中的刀具耐用度问题的研究更少。本文通过GH4169插铣试验，对切削过程中切削参数对刀具寿命的影响规律进行了研究，为高温合金GH4169在粗加工时插铣参数的选取、刀具耐用度的提高提供了依据。
1 GH4169插铣试验
(1)试验条件
选用VMC850三坐标立式数控铣床，最大转速8000r/min，最大功率22kW；刀具选用直径12mm、齿数为4、K40硬质合金立铣刀，前角4°，后角10°，螺旋角40°；冷却方式采用Blasor切削液进行冷却；加工方式为顺插；采用JSM-6380LA扫描电镜观察刀具的磨损形貌；采用工具显微镜测量刀具后刀面磨损量，精度为0.01mm；试件材料为高温合金GH4169，长方体，几何尺寸150mm×90mm×30mm。
(2)试验方案及结果
插铣加工方式如图1所示，其中ae为径向切深，ap为插铣深度，S为步距。插铣加工时，通常铣刀从工件加工部位的边缘处开始铣削，刀具沿主轴方向做进给运动，每刀一直插铣到预定深度，轴向抬刀，水平进刀一个步距S，移动到下一个加工点，再进行第二刀插铣；如此反复，直至加工完成。
插铣示意图
针对GH4169粗加工插铣时的刀具寿命问题设计了三因素四水平正交试验，选取的因素、水平值和试验的方案及测试结果如表1所示。
插铣试验过程中，刀具的磨损主要发生在刀具的后刀面，每切削一段行程后，观察后刀面的磨损形貌，测量后刀面的磨损量。当观测到磨损值达到刀具失效标准时，根据切削路径计算刀具的切削时间，总的切削时间即为刀具寿命。刀具失效判断准则是基于以下一个或两个标准的综合：后刀面最大磨损量VBmax=0.6mm；刀面出现较大范围的破损、崩刃或剥落。
正交试验方案及结果
2 试验结果与分析
(1)刀具寿命经验公式
根据表1中刀具寿命的测试结果，运用MATLAB软件，采用多元线性回归分析法进行拟合，得到粗加工插铣高温合金GH4169的刀具寿命与切削用量之间的多元线性回归方程为
(1)
刀具寿命与切削用量之间的经验公式为
(2)
为了检验回归方程对试验数据的拟合程度，对回归方程进行显著性检验。采用F值检验法进行显著性检验，检验结果如表2所示。F值大于F0.01(3,12)=5.95，回归方程十分显著，与实际情况拟合较好，可用于刀具寿命的预测计算和分析。
回归方程方差分析表
(2)切削参数对刀具寿命的影响规律
从刀具寿命的经验公式(2)可以看出，三个切削参数均和刀具寿命呈负指数关系。切削速度Vc对刀具寿命的影响非常显著，其次是每齿进给量fz，而径向切深ae的影响最小。
① 切削速度对刀具寿命的影响
图2为刀具寿命随转速的变化曲线。由图可看出，在硬质合金刀具插铣加工GH4169时，随着转速(切削速度)增加，刀具寿命下降较快。在500r/min-2000r/min的速度范围内时，刀具寿命从22.88min急剧减至4.39min，这主要是因为切削温度随着转速(切削速度)的提高而升高，粘结磨损加剧，使刀具容易被磨损或形成缺陷，导致破损。从总体来看，随着转速(切削速度)的增加，刀具寿命下降的趋势有所减缓。
刀具寿命随转速的变化曲线
②每齿进给量对刀具寿命的影响
图3为刀具寿命随每齿进给量fz的变化曲线。由图可知，在硬质合金刀具插铣GH4169时，随着每齿进给量的增加，刀具的使用寿命下降较快；当每齿进给量从0.005mm/z逐渐增加到0.008mm/z时，刀具寿命从11.97min减至7.59min。这主要是因为每齿进给量影响未变形切屑层的厚度，顺插铣条件下，增大每齿进给量，在刀具切入工件的瞬间会使刀具受到较大冲击力，从而影响刀具的使用寿命。
图3 刀具寿命随每齿进给量的变化曲线
③径向切深对刀具寿命的影响
图4为刀具寿命随径向切深ae的变化曲线。由图可知，在硬质合金刀具插铣GH4169时，随着径向切深的增加，刀具的使用寿命下降较快。当径向切深从2mm增至3.5mm时，刀具寿命从13.98min减至8.84min。这主要是因为径向切深影响插铣的面积，径向切深越大，刀具和工件接触面越大，受力越大，从而影响刀具的使用寿命。
刀具寿命随径向切深的变化曲线
(3)刀具的磨损形貌
选取表1中刀具寿命相对较长的第六组切削参数对GH4169进行插铣。插铣17刀后，刀具出现破损。图5为刀具后刀面磨损量随时间的变化曲线，可以看出，在硬质合金刀具插铣GH4169过程中出现了初期磨损、正常磨损及剧烈磨损三个阶段。
图5 刀具后刀面磨损量随时间的变化曲线图
6a为插铣GH4169过程中刀具后刀面的前期磨损阶段。历时1min左右，可以观察到此时的后刀面清晰地出现了一条窄带，这是由于新刀具的刃口很锋利且压强大，致使其磨损加快，从而使刃口压强减小，此时在刀具后刀面上产生的磨损均匀，为“磨料磨损”。
为刀具后刀面的正常磨损阶段。大约1-13min，可以观察到刀具的后刀面磨损量随时间的增加而均匀地增加，并随着刀刃上位置的变化磨损量也有所增加。这是由于随着刃口的压强趋于稳定后，刃口的磨损也随着压强的增加而缓慢增加。此时在后刀面的磨损均匀，仍为“磨料磨损”。
图6c为发生在加工最后3min的刀具后刀面的剧烈磨损阶段。该阶段刀具的磨损开始明显加快，在16min时刀具的后刀面磨损值VB=0.38mm，刀具的后刀面已开始出现崩刃，整个后刀面呈现出锯齿状。这是由于在磨损加剧的情况下，切削时的摩擦力逐渐增大，切削温度上升较快，促使刀具磨损更加剧烈，单位时间内的磨损量越来越大；此时后刀面的磨损分为两种：切削材料厚度小的后刀面呈现出“磨料磨损”；在切削厚度大的后刀面上出现“扩散磨损”。