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GH4169插铣参数对刀具寿命影响规律及磨损形貌研究

日期: 2017-03-25
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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”。

 

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