刀具壽命影響規律及磨損形貌研究

知識 11-27

GH4169是一種高硬度、高強度、耐腐蝕和耐高溫的鎳基合金材料，具有良好的抗疲勞、抗蠕變、抗氧化和耐腐蝕性能，被廣泛應用於航空、宇航製造等領域。但是，GH4169屬於典型的難加工材料，切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重、塑性變形大，加工過程存在切除率大、耗時長與成本高等問題。

插銑法又稱Z軸銑削法，是一種能夠在Z軸方向上快速銑削大量金屬的加工方式。插銑加工具有徑向力小、刀具懸伸量大與加工效率高等特點，特別適用於型腔及難加工材料的粗加工或半精加工。因此，使用插銑法來加工高溫合金類難加工材料，能夠顯著提高加工效率、節約生產成本。

國內外學者對於插銑進行了大量的研究，Tlusty等將插銑加工方法應用於垂直壁板類零件的加工。Rauch.M等將插銑法用於型腔銑削，對該方法在鋁合金加工中的潛力進行評估，並與傳統的加工方法在切削效率、加工質量和刀具動態性能等方面作了比較。Altintas等研究了插銑加工的顫振穩定性，介紹了插銑加工的頻域模型和顫振穩定性預測理論，並建立了再生切屑厚度模型。秦旭達等針對鈦合金(Ti-6Al-4V)的切削特點，研究了Ti-6Al-4V的插銑過程，分析了切削力的特點，建立了鈦合金(Ti-6Al-4V)插銑切削力模型，並對切削力的變化規律進行了研究。任軍學等針對鈦合金整體結構件粗加工的插銑和側銑工藝，從切削力、切削穩定性、切削溫度等方面進行了切削試驗和對比分析。試驗結果表明，與側銑相比，插銑切削力小、切削溫度低且切削穩定性高。但是，關於高溫合金的插銑研究還比較少，尤其對難加工材料GH4169插銑加工中的刀具耐用度問題的研究更少。本文通過GH4169插銑試驗，對切削過程中切削參數對刀具壽命的影響規律進行了研究，為高溫合金GH4169在粗加工時插銑參數的選取、刀具耐用度的提高提供了依據。

1? GH4169插銑試驗

(1)試驗條件

選用VMC850三坐標立式數控銑床，最大轉速8000r/min，最大功率22kW；刀具選用直徑12mm、齒數為4、K40硬質合金立銑刀，前角4°，后角10°，螺旋角40°；冷卻方式採用Blasor切削液進行冷卻；加工方式為順插；採用JSM-6380LA掃描電鏡觀察刀具的磨損形貌；採用工具顯微鏡測量刀具後刀面磨損量，精度為0.01mm；試件材料為高溫合金GH4169，長方體，幾何尺寸150mm×90mm×30mm。

(2)試驗方案及結果

插銑加工方式如圖1所示，其中ae為徑向切深，ap為插銑深度，S為步距。插銑加工時，通常銑刀從工件加工部位的邊緣處開始銑削，刀具沿主軸方向做進給運動，每刀一直插銑到預定深度，軸向抬刀，水平進刀一個步距S，移動到下一個加工點，再進行第二刀插銑；如此反覆，直至加工完成。

圖1? 插銑示意圖

針對GH4169粗加工插銑時的刀具壽命問題設計了三因素四水平正交試驗，選取的因素、水平值和試驗的方案及測試結果如表1所示。

插銑試驗過程中，刀具的磨損主要發生在刀具的後刀面，每切削一段行程後，觀察後刀面的磨損形貌，測量後刀面的磨損量。當觀測到磨損值達到刀具失效標準時，根據切削路徑計算刀具的切削時間，總的切削時間即為刀具壽命。刀具失效判斷準則是基於以下一個或兩個標準的綜合：後刀面最大磨損量VBmax=0.6mm；刀面出現較大範圍的破損、崩刃或剝落。

表1? 正交試驗方案及結果

2? 試驗結果與分析

(1)刀具壽命經驗公式

根據表1中刀具壽命的測試結果，運用MATLAB軟體，採用多元線性回歸分析法進行擬合，得到粗加工插銑高溫合金GH4169的刀具壽命與切削用量之間的多元線性回歸方程為

? ? ? ?刀具壽命與切削用量之間的經驗公式為

為了檢驗回歸方程對試驗數據的擬合程度，對回歸方程進行顯著性檢驗。採用F值檢驗法進行顯著性檢驗，檢驗結果如表2所示。F值大於F0.01(3,12)=5.95，回歸方程十分顯著，與實際情況擬合較好，可用於刀具壽命的預測計算和分析。

表2? 回歸方程方差分析表

(2)切削參數對刀具壽命的影響規律

從刀具壽命的經驗公式(2)可以看出，三個切削參數均和刀具壽命呈負指數關係。切削速度Vc對刀具壽命的影響非常顯著，其次是每齒進給量fz，而徑向切深ae的影響最小。

? 切削速度對刀具壽命的影響

圖2為刀具壽命隨轉速的變化曲線。由圖可看出，在硬質合金刀具插銑加工GH4169時，隨著轉速(切削速度)增加，刀具壽命下降較快。在500r/min-2000r/min的速度範圍內時，刀具壽命從22.88min急劇減至4.39min，這主要是因為切削溫度隨著轉速(切削速度)的提高而升高，粘結磨損加劇，使刀具容易被磨損或形成缺陷，導致破損。從總體來看，隨著轉速(切削速度)的增加，刀具壽命下降的趨勢有所減緩。

圖2? 刀具壽命隨轉速的變化曲線

每齒進給量對刀具壽命的影響

圖3為刀具壽命隨每齒進給量fz的變化曲線。由圖可知，在硬質合金刀具插銑GH4169時，隨著每齒進給量的增加，刀具的使用壽命下降較快；當每齒進給量從0.005mm/z逐漸增加到0.008mm/z時，刀具壽命從11.97min減至7.59min。這主要是因為每齒進給量影響未變形切屑層的厚度，順插銑條件下，增大每齒進給量，在刀具切入工件的瞬間會使刀具受到較大衝擊力，從而影響刀具的使用壽命。

圖3? 刀具壽命隨每齒進給量的變化曲線

徑向切深對刀具壽命的影響

圖4為刀具壽命隨徑向切深ae的變化曲線。由圖可知，在硬質合金刀具插銑GH4169時，隨著徑向切深的增加，刀具的使用壽命下降較快。當徑向切深從2mm增至3.5mm時，刀具壽命從13.98min減至8.84min。這主要是因為徑向切深影響插銑的面積，徑向切深越大，刀具和工件接觸面越大，受力越大，從而影響刀具的使用壽命。

圖4? 刀具壽命隨徑向切深的變化曲線

(3)刀具的磨損形貌

選取表1中刀具壽命相對較長的第六組切削參數對GH4169進行插銑。插銑17刀後，刀具出現破損。圖5為刀具後刀面磨損量隨時間的變化曲線，可以看出，在硬質合金刀具插銑GH4169過程中出現了初期磨損、正常磨損及劇烈磨損三個階段。

圖5? 刀具後刀面磨損量隨時間的變化曲線圖

6a為插銑GH4169過程中刀具後刀面的前期磨損階段。歷時1min左右，可以觀察到此時的後刀面清晰地出現了一條窄帶，這是由於新刀具的刃口很鋒利且壓強大，致使其磨損加快，從而使刃口壓強減小，此時在刀具後刀面上產生的磨損均勻，為「磨料磨損」。

圖6b為刀具後刀面的正常磨損階段。大約1-13min，可以觀察到刀具的後刀面磨損量隨時間的增加而均勻地增加，並隨著刀刃上位置的變化磨損量也有所增加。這是由於隨著刃口的壓強趨於穩定後，刃口的磨損也隨著壓強的增加而緩慢增加。此時在後刀面的磨損均勻，仍為「磨料磨損」。

圖6c為發生在加工最後3min的刀具後刀面的劇烈磨損階段。該階段刀具的磨損開始明顯加快，在16min時刀具的後刀面磨損值VB=0.38mm，刀具的後刀面已開始出現崩刃，整個後刀面呈現出鋸齒狀。這是由於在磨損加劇的情況下，切削時的摩擦力逐漸增大，切削溫度上升較快，促使刀具磨損更加劇烈，單位時間內的磨損量越來越大；此時後刀面的磨損分為兩種：切削材料厚度小的後刀面呈現出「磨料磨損」；在切削厚度大的後刀面上出現「擴散磨損」。