切削用量對鎳基高溫合金GH4169表面粗糙度試驗研究*

梁軍華，趙松濤，李小強

(1.四川工程職業技術學院 機電工程系，四川 德陽　618000；2.西南交通大學 機械工程學院，成都610031)

?

切削用量對鎳基高溫合金GH4169表面粗糙度試驗研究*

梁軍華1,2，趙松濤1，李小強1

(1.四川工程職業技術學院 機電工程系，四川 德陽618000；2.西南交通大學 機械工程學院，成都610031)

摘要：文章在單因素條件下進行了車削GH4169的表面粗糙度試驗，得到了切削用量(切削速度、進給量、背吃刀量)的改變對表面粗糙度Ra、Rmr(c)的影響規律，分析了所導致表面粗糙度變化的原因。試驗結果表明：表面粗糙度值Ra的影響程度從大到小依次為進給量、切削速度和背吃刀量。Ra值隨著進給量的增加呈線性增大，Ra值隨著切削速度增大呈先減小后增大，Ra值隨背吃刀量的增加而緩慢增大。背吃刀量對粗糙度輪廓的支承長度率Rmr(c)的影響最大，切削速度次之，進給量影響較小。

關鍵詞：車削；GH4169；切削用量；表面粗糙度

0引言

鎳基高溫合金因具有工作溫度高、抗氧化、熱腐蝕性好等優良特性被廣泛應用于航空、航天領域，是制造航空航天渦輪發動機、燃氣輪機輪盤、工作葉片、導向熱片和燃燒室等重要零部件材料[1]。

國產牌號GH4169(相當于美國牌號Inconel718)是使用量最大的鎳基高溫合金之一，屬于典型的難加工材料，加工過程中加工硬化嚴重、切削力大、刀具磨損劇烈、切屑粘刀、切削溫度高和切削變形大等一系列問題，使得產品表面質量不易保證和加工精度不穩定[2]。

國內外學者對鎳基高溫合金GH4169的切削加工性能進行了相關研究。Liao和Shiue研究了P20和K20兩種不同類別硬質合金刀具的磨損機理，當切削速度為vc=35m/min時，切削溫度達到1000℃；P20刀具的磨損不均勻，溝槽和后刀面磨損比K20刀具要嚴重的多[3]。在濕切削狀態下，用PVDTiN、TiCN和TiAlN三種涂層硬質合金刀具車削Inconel718時，TiAlN和TiCN涂層刀具的切削性能優于TiN涂層刀具[4]。

Thakur等對使用硬質合金K20刀具高速車削Inconel718時產生的切削力進行了研究，當切削速度介于45～55m/min之間時，在f=0.08mm/r表面質量獲得最佳值[5]；R.T.Coelho等人在2004 年也進行了鎳基高溫合金Inconel718 高速切削實驗，研究了不同刀片形狀不同刀具材料對表面質量、切削溫度和刀具磨損的影響[6]。

Darwish分別使用陶瓷刀具和CBN刀具切削Inconel718研究切削參數對Inconel718加工表面粗糙度的影響規律[7]；Alauddin等使用非涂層硬質合金刀片立銑加工Inconel718，采用響應曲面法建立了表面粗糙度數學模型[8]。山東大學黃雪紅、趙軍用PVD涂層硬質合金刀具高速車削Inconel718，研究了進給量、切削深度、切削速度和后刀面磨損量對表面粗糙度的影響規律[9]。

1試驗條件

(1)試驗車床：C620-1普通車床，1200r/min以下無級調速。

(2)試驗刀具：試驗選用美國Kennametal公司生產的PVD涂層硬質合金刀具KC5510型號為SNGG120408FS，刀桿型號為MCLNR2525M12，刀具幾何參數詳見表1。

表1　試驗用刀具幾何參數

(3)試驗材料：GH4169鎳基高溫合金，規格：φ60×70mm；其化學成分與機械性能分別如表2和表3所示。

表2　GH4169典型的化學成分/%

表3　GH4169常溫時力學性能

(4)表面粗糙度測量系統，使用上海泰明光學儀器有限公司生產的JB-5C粗糙度輪廓儀，如圖1所示。

圖1　表面粗糙度測量系統

2試驗內容及結果

根據國家標準[9]，規定采用中線制(輪廓法)評定表面粗糙度，Ra是指輪廓的算術平均偏差，Rmr(c)是指粗糙度輪廓的支承長度率，相當于舊標準中形狀特征參數tp。

本試驗采用單因素方法對GH4169進行干切削，參考文獻[10]的研究方法，研究切削用量(切削速度vc、進給量f、背吃刀量ap)對表面粗糙度Ra、Rmr(c)的影響規律。

2.1切削速度vc的改變對表面粗糙度的影響

表面粗糙度Ra隨切削速度改變的變化規律如圖2a所示，其中f=0.15mm/r，ap=0.20mm，vc分別取30、50、70、90和110m/min。

圖2　Ra、Rmr(c)隨切削速度vc的變化規律

從圖2a可知，當切削速度在30～110m/min之間變化時，表面粗糙度Ra值隨著切削速度增大呈先減小后增大趨勢，Ra變化幅度在0.4μm左右，在速度為90m/min時Ra值最小(0.7μm)。

當vc在30～90m/min之間時，切削速度較低時在刀具前刀面形成了積屑瘤和鱗刺，已加工表面粗糙度值較大，隨著車削速度的提高，積屑瘤和鱗刺等缺陷逐漸減少甚至消失，粗糙度值逐漸減小。當vc在90～110m/min之間時，隨著切削速度的增大，切削溫度升高，刀具后刀面磨損加劇，同時易出現切屑與加工表面之間的粘結，在剪切分離的過程中部分已加工表面的工件材料被切屑帶走或部分切屑粘結在已加工表面，導致表面粗糙度增大。

2.2進給量f的改變對表面粗糙度的影響

表面粗糙度Ra隨進給量f改變的變化規律如圖3a所示，其中vc=50m/min，ap=0.20mm，f分別取0.10、0.15、0.20、0.26和0.33mm/r。

理論殘留面積高度差為Rmax，則有：

進給量影響著工件表面殘余幾何面積的大小，因此直接影響到表面粗糙度大小，增大進給量就增大了切削殘留面積。

從圖3a可知，當進給量在0.10～0.33mm/r之間變化時，表面粗糙度Ra值隨著進給量的增加呈線性增大。在進給量f<0.15mm/r的情況下，切削厚度也比較小，工件上的殘留高度以及切削力、切削振動等也比較小，Ra值隨進給量的變化不是太大。在進給量f>0.15mm/r的情況下，Ra值隨進給量的變化顯著。

圖3　Ra、Rmr(c)隨進給量f的變化規律

2.3背吃刀量ap的改變對表面粗糙度的影響

表面粗糙度Ra隨背吃刀量ap改變的變化規律如圖4a所示，其中vc=50m/min，f=0.22mm/r，ap分別取0.10、0.20、0.30、0.40和0.50mm。

圖4　Ra、Rmr(c)隨背吃刀量ap的變化規律

從圖4a可知，當背吃刀量在0.10～0.50mm之間變化時，表面粗糙度Ra值隨背吃刀量的增加而增大，背吃刀量的增大，切削力變大，切屑與刀具前刀面擠壓嚴重，材料容易發生粘結。

2.4切削速度vc、進給量f和背吃刀量ap的改變對粗糙度輪廓的支承長度率Rmr(c)的影響

粗糙度輪廓的支承長度率曲線表明了粗糙度輪廓在高度方向支承面積的變化規律。表面粗糙度的輪廓形狀和加工紋路方向對已加工表面的耐磨性能有顯著的影響。

不同加工方法產生的表面輪廓盡管Ra值可能相同，但由于表面輪廓形狀的差異，使零件間的潤滑油的存留情況和實際接觸面積發生了很大變化，已加工表面的耐磨性能就相差甚遠。

從圖2b、圖3b和圖4b可知，切削速度、進給量和背吃刀量的改變對表面粗糙度Rmr(c)的影響規律不同，影響程度從小到大依次為進給量、切削速度和背吃刀量。

3結束語

本文闡述了國內外學者對鎳基高溫合金GH4169的切削加工性能進行了相關研究，在本文實驗條件下，由試驗結果分析可知，可得以下兩個結論：

(1)進給量對表面粗糙度值Ra的影響顯著，Ra值隨著進給量的增加呈線性增大；切削速度次之，表面粗糙度Ra值隨著切削速度增大呈先減小后增大趨勢；背吃刀量影響較小，隨背吃刀量的增加而緩慢增大。

(2)切削速度、進給量和背吃刀量的改變對粗糙度輪廓的支承長度率Rmr(c)的影響規律不同，Rmr(c)的影響程度從小到大依次為進給量、切削速度和背吃刀量。

[參考文獻]

[1] 劉鑫源.鎳基高溫合金高效切削加工質量控制技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[2] 李安海，趙軍，王澤明，等.高速側銑鎳基合金Inconel718切削力試驗研究[J].組合機床與自動化加工技術，2010(10):75-78.

[3]LiaoYS,ShiueRH.CarbidetoolwearmechanisminturningofInconel718superalloy[J].Wear.1996，193(1)：16-24.

[4]JindalPC,SanthanamAT.PerformanceofPVDTiN,TiCNandTiAINcoatedcementedcarbidetoolsinturning[J].IntemationalJoumalofRefractoryMetalsandHardMaterials.1999(17)：163-170.

[5]ThakurDG.StudyonthemachinabilitycharacteristicsofsuperalloyInconel718duringhighspeedturning[J].MaterialsandDesign.2008,7(11)：1-6.

[6]RTCoelho,LRSilva,ABraghini,eta1.SomeeffectsofcuttingedgepreparationandgeometricmodificationswhenturningINCONEL718TMathighcuttingspeeds[J].MechanicalEngineer,2004：12-15.

[7]SMDarwish.Theimpactofthetoolmaterialsandcuttingparametersonsurfaceroughnessofsupermet718nicklsuperalloy[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology,2000，97：10-18.

[8]MAlauddin,eta1．OptimizationofsurfacefinishinendmillingInconel718[J]．MaterialsProcessingTechno-Logy,1996(56)：54-65.

[9]GB/T1031-2009，《產品幾何技術規范(GPS)表面結構 輪廓法 表面粗糙度參數及其數值》[S].北京：中國標準出版社，2009.

[10] 黃雪紅.鎳基合金Inconel718高速車削摩擦磨損行為研究[D].濟南：山東大學，2009.

(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0038-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.011

收稿日期：2016-02-14；修改日期： 2016-03-07

*基金項目：四川工程職業技術學院2015年度科研項目(YJ2015KY-09)；2015年度德陽市科技支撐計劃項目(JYCC20150035)

作者簡介：梁軍華(1984—)，男，四川遂寧人，西南交通大學博士研究生，研究方向為智能化狀態監測與故障診斷技術，(E-mail) 986014733@qq.com。

中圖分類號：TH161；TG506

文獻標識碼：A

Experiment Investigation of Surface Roughness during Turning Superalloy Inconel GH4169 withDifferentCuttingParameter

LIANG Jun-hua1,2,ZHAO Song-tao1,LI Xiao-qiang1

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China;2.School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Abstract：Effect of cutting parameter on surface roughness is investigated when turning superalloy Inconel GH4169.The influence regularity of surface roughness is obtained when cutting parameter is changing.The cause of surface roughness between different cutting parameter is analyzed comparatively.The result of the experiment indicates that with the three types of cutting parameter,feed rate has much larger effect on Ra of surface roughness, cutting speed has a large effect on Ra of surface roughness, while the effect of cutting depth is less.The Ra value increased linearly with the feed,The Ra value decreases and then increases with the increase of the cutting speed,The Ra value increases slowly with the increase of cutting depth.The effect of cutting speed on material ratio of the roughness profile is more than feed rate,and cutting depth exerts more influence.

Key words：turning;GH4169;cutting parameter;surface roughness