鎳基高溫合金Inconel718微銑削加工硬化研究*

盧曉紅，路彥君，王福瑞，高路斯，王振宇，劉永云

(大連理工大學 a.機械工程學院；b.材料科學與工程學院，遼寧 大連　116024)

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鎳基高溫合金Inconel718微銑削加工硬化研究*

盧曉紅a，路彥君a，王福瑞a，高路斯b，王振宇a，劉永云a

(大連理工大學 a.機械工程學院；b.材料科學與工程學院，遼寧 大連116024)

摘要：為了研究解決微細銑削鎳基高溫合金微小零件加工硬化問題，文章進行了鎳基高溫合金微銑削加工過程的ABAQUS有限元仿真研究，輸出了Inconel718的微銑削槽表面的等效塑性應變；發現了每齒進給量與塑性變形的關系，在有限元仿真輸出應變的基礎上，得到了鎳基高溫合金微銑削加工表面的硬度。實現了以切削參數為模型輸入，以維氏硬度為輸出的預測模型。最后，進行了鎳基高溫合金Inconel718微銑削加工實驗，證明了預測模型的準確性。所做工作為鎳基高溫合金切削參數的選擇提供參考，還可為借助ABAQUS有限元仿真預測硬度提供研究思路。

關鍵詞：鎳基高溫合金；微銑削；ABAQUS; 硬度

0引言

隨著科學技術的進步，航空航天等領域都出現了精度要求高的微小結構/零件，其中部分零件不僅要求能承受較高的工作溫度，而且需要具備較高的強度和耐腐蝕性能。Inconel 718具有高強度、耐腐蝕、耐高溫等優良性能，是制造航空發動機等部件的理想材料。微銑削技術是制備鎳基高溫合金微小零件的高效技術手段[1]。但由于鎳基高溫合金具有強度高、粘性大、熱傳導性能低等特點，在微銑削過程會產生大變形，從而產生晶格扭曲變形，導致加工硬化現象。對于微結構件，加工硬化容易使其產生裂紋、尺寸發生變化，減少壽命，所以對鎳基高溫合金微銑削加工硬化的研究非常重要。

山東大學曹成銘采用單因素實驗法對Inconel 718側銑加工面的顯微硬度進行研究，指出加工硬化后的硬度是應變硬化和熱軟化的綜合效應；不同的切削方式、加工工具、切削參數產生的加工硬化程度不同[2]。山東大學呂紹瑜對高速銑削鎳基高溫合金時沿切削深度方向上的顯微硬度分布[3]。天津大學張路對端銑GH4169鎳基高溫合金表面完整性進行研究，研究結果表明隨著切削速度增加，加工硬化先減小后增大，該結論與傳統切削理論相反[4]。上海交通大學李軍利在鎳基高溫合金整體葉輪加工應用的基礎研究中，指出切削速度和進給量是影響加工硬度的主要因素[5]。大多數鎳基高溫合金傳統尺度銑削的加工硬化研究為基于試驗構建的預測模型，考慮多種因素對加工硬化的影響，卻較少對加工后硬度進行數值化預測。

對于微切削加工硬化研究，山東大學周軍進行斜角微車削實驗，結果表明切深小于刃口半徑時，犁耕作用使得已加工表面的加工硬化效果顯著[6]。山東大學張濤對微切削加工表面顯微硬度的尺寸效應研究，結果表明顯微硬度隨著切削厚度和刃口半徑r的比值的減小先減小后增大[7]。Muhammad在濕切條件下，對Inconel 718合金進行微孔的機械轉削加工研究。研究表明，切削層包含三個不同區域，分別是大變形納米結構表面層，小變形的亞表面層和未受影響的基體層。結果表明亞表層的變化是由釋放的機械熱驅動的，從而造成由多余剪力形成的塑性和晶體細化作用于切削表面[8]。但目前，鎳基高溫合金微銑削加工硬化研究尚屬空白。

隨著軟件工程的發展，很多研究人員開始使用有限元軟件對切削過程中應力、應變、溫度、刀具磨損的變化情況進行仿真[9-10]，但使用ABAQUS預測切削后的加工硬化分布規律的研究卻是很少。本文系統的進行了鎳基高溫合金微銑削加工的有限元仿真，論證了加工硬化與塑性變形的關系，根據Inconel718的硬化曲線和維氏硬度測試原理，建立了流動應力與維氏硬度的關系模型。在ABAQUS有限元仿真輸出應變的基礎上，聯系應變與硬度的關系，得到了鎳基高溫合金微銑削加工表面的硬度。最后，進行了鎳基高溫合金Inconel718微銑削加工實驗，證明了預測模型的準確性。所做工作為鎳基高溫合金切削參數的選擇提供參考，還可為借助ABAQUS有限元仿真預測硬度提供研究思路。

1基于ABAQUS的鎳基高溫合金微銑削過程仿真

1.1材料本構模型

材料的本構模型是材料本質的表征，是有限元計算的關鍵環節，考慮了流動應力與塑性變形、應變速率、溫度變化等因素的關系。能夠反映材料真實物性變化的本構關系取決于完整的內部狀態變量組，該內部狀態變量組代表了當時材料所處的微結構狀態。材料的微結構狀態由下面的變量來體現：顆粒尺寸分布、位錯密度、位錯網格結構以及孿晶的容積比等等[11]。

在鎳基高溫合金的微銑削過程中，存在應變硬化、應變率強化和熱軟化效應。而J-C模型可以很好的表征三種效應對硬化的影響，反映出了金屬在大應變、高溫和大應變率情況下的性質。因此本文鎳基高溫合金微銑削abaqus仿真選取J-C本構模型。查閱文獻[11]可得Inconel718J-C模型的參數，如表1所示。

表1　Inconel 718的J-C模型參數表

1.2切屑分離準則

本文采用物理分離準則作為金屬切削過程中的切屑分離準則。J-C模型的分離準則是基于物理量等效塑性應變的。其根據距離刀尖最近節點的物理量來判斷是否分離，例如應變能、應力、應變等。當所設定的物理量達到臨界值時節點分離。查閱文獻[11]可得Inconel718材料失效參數，如表2所示。

表2　Inconel718材料失效參數

1.3鎳基高溫合金微銑削過程有限元仿真

本文使用ABAQUS模擬切削過程以獲得切削后工件的塑性應變來研究加工硬化。從而預測切削參數對加工硬化的影響。實驗中使用的立銑刀為日本NS公司生產的型號為MX230銑刀。刀具的幾何模型及網格劃分如圖1所示。

(a)刀具的建模效果圖

(b)刀具幾何模型圖

(c)刀具的網格工件

工件尺寸為2mm×1.5mm×1mm。由于工件模型幾何特征簡單，所以直接使用ABAQUS自帶的CAE功能建模。由于工件形狀比較規則，所以選擇使用六面體單元結構化單元劃分技術，選擇explicit中的單元類型。

由于刀具視為剛體所以不需要設置材料，工件材料類型定義為彈塑性，工件材料的物理參數如下表3所示。

表3　鎳基高溫合金Inconel718的物理性能參數

刀具以RP刀具中心為參考點。接觸性質選擇罰模型，將摩擦系數設置成0.4，摩擦副即為刀具外表面和工件切削層網格外表面。為了限制工件的移動將工件的底面和左側面在初始分析步就設置成六自由度全約束，在最后的約束釋放的步驟改成底面的三個點的位移約束，從而去除約束對殘余應力的影響。

微銑削過程分析步主要分為三步，初始分析步定義模型的初始狀態的邊界條件和相互作用，第二個分析步主要模擬切削過程給刀具添加邊界條件，第三個分析步進行退刀操作，第四個分析步解除工件的約束，使工件自由變形，應力得到釋放。二、三、四分析步均使用顯式動態分析。設置分析步時間：分析步二時間t=l/f(l為進給距離，f為進給速度)；分析步三退刀時間設置為0.001s；分析步四解除約束的時間設置為1。增量步設置為自動。在分析步模塊設置Output輸出變量為等效塑性應變。

主軸轉速為60000r/min，切削深度為30μm，每齒進給量取值如下表1所示。此仿真中將在加工槽底面上隨機取40點，求均值后表征表面的等效塑性應變，仿真輸出結果如表4所示。等效應變隨著每齒進給量的變化如圖2所示。

表4　實驗結果記錄

(a)f=0.5μm/z　　　　(b)f=0.7μm/z　　　　(c)f=0.9μm/z

(d)f=1.1μm/z　　　(e)f=1.3μm/z

由每個槽面的等效塑性應變云文圖，可以看出等效塑性應變值隨著每齒進給量先減小后增加，之后又緩慢減小。

取每齒進給量為0.7μm/z時的仿真數據，觀察槽寬度方向和長度方向上等效塑形應變的變化。圖3所示為沿槽寬度方向等效塑形應變分布情況。

從圖3可以看出沿槽寬度方向上的等效塑性應變先增大后減小，即槽中部位置的硬化程度最大，槽邊硬化程度較小，分析原因為由于是銑削，銑削過程中的切屑層厚度是不一致的。沿槽寬度方向，槽中部的切削厚度、切屑的體積最大，所以力也最大，造成塑性變形最大，所以沿寬度方向上，槽中部的塑形變形最大。

圖4所示為沿槽長度方向等效塑形應變分布情況?？梢钥闯龅刃苄詰冊诓鄣拈L度方向上并沒有明顯變化趨勢，只是在小范圍內跳動，分析原因是沿槽長度方向切削層的厚度相同導致表面受力相同，所以塑性變形幾乎相同，硬化程度也相同。

圖3　槽寬度方向等效塑性應變分布情況

圖4　槽長度方向等效塑性應變分布情況

2鎳基高溫合金表面硬度預測

所選用的工件材料鎳基高溫合金Inconel718的維氏硬度計算公式為：

(1)

其中，HV為維氏硬度；因為本文所選用材料為退火態得到的鎳基高溫合金Inconel718，因此查閱文獻[12],K為1894，n為0.469；查閱文獻[13],εrepr為壓頭引入殘余應變，取0.08，C為定值，取4.3；εpl為由仿真模型得出的等效塑性應變。

因此，將第二部分仿真得到的等效塑性應變代入公式，則可以得到仿真條件下的表面硬度預測值，如表5所示。

表5　表面硬度預測值

3鎳基高溫合金表面硬度預測驗證實驗

鎳基高溫合金表面硬度驗證實驗是基于課題組前期搭建的微銑削數控機床(圖5)。刀具使用日本NS公司的MX230銑刀，直徑為1mm硬質合金的微銑刀。

圖5　自主研發的數控微銑床

本實驗是驗證實驗，實驗中選擇的切削參數與仿真參數相同，使用型號為DHV-1000的維氏硬度計測量加工后的表面硬度，每個槽底面選取5個點測量取平均值作為其硬度值，測量結果如表6所示。

表6　鎳基高溫合金微銑削加工表面的硬度測量結果

將鎳基高溫合金Inconel718微銑削加工實驗測得表面硬度值與預測硬度值對比如表7所示。可以看出，相對誤差在12%以內，預測模型的預測值與實測值吻合較好，由此證明了預測模型的可行性，以及實用性。

表7　表面硬度預測值與測量值對比

4結論

本文對Inconel718合金的微銑削加工表面的加工硬化進行研究，建立了金屬切削仿真模型，輸出了Inconel718的微銑削槽表面的等效塑性應變。通過分析仿真結果，發現等效塑性應變隨著每齒進給量的增加先下降再上升再緩慢下降，在0.7μm/z的時候等效塑性應變最小。探索了槽表面沿寬度和長度方向等效塑性應變分布規律。通過加工硬化理論建立了塑性應變與流動應力的關系模型，根據維氏硬度的測試原理建立了維氏硬度與流動應力的關系，完成了以切削參數為模型輸入，以維氏硬度為輸出的預測模型。最終實現了以ABAQUS有限元技術為基礎的，對微銑削Inconel718槽表面的硬度值預測的目的,并通過實驗驗證了該預測模型的準確性。

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(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0004-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.002

收稿日期：2015-08-11；修回日期：2015-09-07

*基金項目：國家自然科學基金(51305061)；高等學校博士學科點專項科研基金(20120041120034)

作者簡介：盧曉紅(1978—)，女，內蒙古寧城人，大連理工大學副教授，博士，研究方向為微銑削加工、數控機床功能部件綜合性能檢測、可靠性技術、優化算法，(E-mail)lxhdlut@dlut.edu.cn。

中圖分類號：TH142;TG506

文獻標識碼：A

Research on Work Hardening of Micro-milling Nickel-based Superalloy

LU Xiao-honga, LU Yan-juna, WANG Fu-ruia, GAO Lu-sib, WANG Zhen-yua, LIU Yong-yuna

(a.School of Mechanical Engineering;b. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Abstract：To investigate and solve the difficulty in micro-milling Inconel 718 micro components, in this paper, an investigation about finite element analysis based on ABAQUS in micro-milling of nickel-based superalloy was presented, and the equivalent plastic strain of micro-milling Inconel718 groove surface was obtained; the relationship between feed per tooth and plastic deformation was demonstrated based on finite element analysis, and the hardness of micro-milling Inconel 718 surface was gained. The prediction model based on the input of cutting parameters and output of Vickers hardness was developed. At last, the experiments of micro-milling Inconel718 were conducted to verify the validity of the model. The methodology proposed in this paper can offer references for selecting cutting parameters in micro-milling nickel-based superalloy, and offer research ideas for hardness prediction by ABAQUS finite element analysis.

Key words：nickel-based superalloy; micro-milling; ABAQUS; hardness