鎳基合金蜂窩材料冰固持條件下的超低溫銑削研究

王鳳彪，侯博，袁凱，吳迪，周連杰

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

鎳基合金蜂窩材料冰固持條件下的超低溫銑削研究

王鳳彪，侯博，袁凱，吳迪，周連杰

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

由于低剛度航天用薄壁鎳基合金蜂窩材料在機(jī)械加工后常伴有卷曲、開(kāi)焊、塌邊等缺陷，故需改進(jìn)其固持和加工方法。將該材料進(jìn)行冰固持方法處理，采用數(shù)控銑床進(jìn)行高速超低溫加工。分析蜂窩銑削性能和加工缺陷產(chǎn)生原因，揭示冰固持超低溫銑削機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)固持加工方式，冰固持超低溫銑削后，蜂窩表面質(zhì)量有很大提高，相關(guān)加工缺陷得到了有效抑制，切削深度對(duì)表面質(zhì)量影響較大；獲得了加工參數(shù)對(duì)銑削力影響順序：切深最大，可提高3倍，其次為主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度最小。該方法提高了蜂窩強(qiáng)度，改善了斷屑方式。冰固持超低溫工藝為面內(nèi)徑向等效強(qiáng)度小、低剛度薄壁金屬蜂窩材料的高效加工提供了新方法。

機(jī)械制造工藝與設(shè)備；鎳基合金；蜂窩材料；缺陷；冰固持；銑削力；等效強(qiáng)度

0 引言

目前被廣泛應(yīng)用于航天、航空等領(lǐng)域的鎳基合金蜂窩材料，具有強(qiáng)度高、剛性好、隔熱、綜合功能突出、不易變形、加工適應(yīng)性好等特點(diǎn)［1-2］。但蜂窩為薄壁多孔結(jié)構(gòu)，壁厚一般小于0.1 mm，孔格的邊長(zhǎng)小于10 mm，使得蜂窩沿孔格軸向具有較高的強(qiáng)度，而面內(nèi)徑向等效強(qiáng)度相對(duì)很小，經(jīng)受一定徑向力作用下易產(chǎn)生變形，故機(jī)械加工中不能采用傳統(tǒng)夾持方法［3］。

通常蜂窩機(jī)械加工時(shí)，尤其對(duì)于平面銑削加工，需要實(shí)現(xiàn)定位和固持夾緊工作，但由于銑削力較小，采用壓板固持方式極易使零件產(chǎn)生變形，導(dǎo)致工件的制造精度較低，無(wú)法滿足航空產(chǎn)品裝配的要求，影響了產(chǎn)品的實(shí)用功能［4-5］。

目前比較先進(jìn)的蜂窩固持方法有電磁及真空吸附方法［6-7］。但由于鎳基蜂窩材料剛性不足，加工中易產(chǎn)生變形，以及材料導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)致切削區(qū)溫度較高影響加工精度。此外吸附裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工件裝夾繁瑣，以及真空度難保持的特點(diǎn)，限制了裝夾保持可靠性和裝夾效率。同時(shí)鎳基蜂窩主要采取高速數(shù)控加工技術(shù)，尤其復(fù)雜型面類蜂窩材料多采用五軸坐標(biāo)高速銑床加工成型［8］，并配備專用銑刀，文獻(xiàn)［9］中設(shè)計(jì)了特殊蜂窩銑刀，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化了刀具結(jié)構(gòu)尺寸，蜂窩獲得了較好切削效果。

本文采用冰固持超低溫高速銑削方法加工低剛度鎳基蜂窩材料，純冰作為固持介質(zhì)，液氮作為低溫處理介質(zhì)，研究冰固持蜂窩方法和冰固持條件下蜂窩高速銑削性能，以及切削參數(shù)對(duì)銑削性能影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)方法

1.1.1試驗(yàn)材料

航天用鎳基合金GH4169蜂窩，切割成80 mm× 60 mm×30 mm方形塊，且兩相鄰側(cè)面垂直，并作為定位面。

1.1.2試驗(yàn)設(shè)備

采用DMU700立銑加工中心對(duì)材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，主軸最高轉(zhuǎn)速24 000 r/min，工作臺(tái)行程300 mm× 300 mm×200 mm；刀具采用日本京瓷公司產(chǎn)硬質(zhì)合金4刃內(nèi)冷立銑刀，銑刀直徑為φ10 mm；利用北京天海工業(yè)公司產(chǎn)DPL-175MP型自增壓液氮罐提供低溫液氮，采用自主研發(fā)的外轉(zhuǎn)內(nèi)冷式刀柄裝置噴射液氮控制切削區(qū)溫度，外噴式噴管噴射液氮控制純冰溫度，控制液氮噴口溫度-196℃.

1.2試驗(yàn)方案

鎳基蜂窩冰固持超低溫加工試驗(yàn)平臺(tái)如圖1（a）所示。采用單因素分析法，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，銑削寬度恒定為6 mm，其中不同切深時(shí)進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速取150 mm/min和8000 r/min；不同進(jìn)給速度時(shí)其他兩參數(shù)取1 mm和8 000 r/min；不同主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，其他兩參數(shù)取1 mm和150 mm/min.試樣冰固溫度由HaierDW-50W255 255L超低溫試驗(yàn)箱獲得，箱內(nèi)溫度-20℃ ～-60℃可調(diào)節(jié)，由于純冰在-50℃時(shí)性能最佳，故試驗(yàn)中試驗(yàn)箱設(shè)定為-50℃.

圖1　超低溫加工試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Mode1 of 1ow-temperature test

表1　試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Fxperimenta1 parameters

蜂窩材料銑削力分解如圖1（b）所示，水平切削面上，沿進(jìn)給方向?yàn)檫M(jìn)給力Fx，與之垂直的為主切削力Fy，z軸方向?yàn)楸诚蛄z，此外ap是銑削深度，ae是銑削寬度。

1.3試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備

利用美國(guó)Nikon公司產(chǎn)D7100單反相機(jī)獲得蜂窩加工實(shí)景及表面形貌，焦距16～85 mm；采用日本KFYFNCF公司產(chǎn)VHX-600型超大景深數(shù)碼顯微鏡測(cè)量試樣表面微觀形貌，分辨率5 400萬(wàn)像素；采用美國(guó)ZYGO公司產(chǎn)New view5022型3D表面輪廓儀測(cè)量試樣表面粗糙度，垂直分辨率0.1 nm，橫向分辨率110 nm，掃描深度2～150 μm，每一加工參數(shù)對(duì)應(yīng)的試樣表面上隨機(jī)取5個(gè)蜂窩，每一蜂窩表面取一典型位置作為測(cè)量點(diǎn)，然后取該5個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量均值作為該參數(shù)對(duì)應(yīng)的粗糙度值；采用瑞士Kis1er公司產(chǎn)9257B三向測(cè)力儀測(cè)量切削點(diǎn)切削力；采用日本 Rigaku公司的 D/max-rB型號(hào) X射線衍射（XRD）儀分析表面相組成，掃描速度1.2°/min.

2 結(jié)果及討論

2.1表面形貌分析

鎳基蜂窩冰固持加工實(shí)景如圖2所示，內(nèi)噴液氮保證超低溫加工方式，而外噴液氮保持夾具內(nèi)低溫狀態(tài)，延長(zhǎng)冰的融化時(shí)間。加工中純冰在液氮低溫作用下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間加工后仍舊保持冰凍狀態(tài)，并具有穩(wěn)定的固持力。

圖2　加工實(shí)景Fig.2 Processing site

鎳基蜂窩無(wú)冰固加工表面形貌如圖3所示，蜂窩表面會(huì)出現(xiàn)塌邊、開(kāi)焊和變形等缺陷。主要是由于蜂窩面內(nèi)徑向等效強(qiáng)度很小，剛度不足，加工時(shí)易卷曲和塌邊變形，且合金塑性較強(qiáng)，不易斷屑而產(chǎn)生毛邊，同時(shí)加工中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，易使蜂窩板焊接釬焊面開(kāi)焊（見(jiàn)圖3（a）），引起蜂窩性能失效；蜂窩端面分支部分出現(xiàn)不規(guī)則斷裂現(xiàn)象，并伴有部分變形（見(jiàn)圖3（b））。

而冰固持加工表面平整光滑，蜂窩表面未完全去除的毛刺明顯減少，構(gòu)型無(wú)變化，變形、塌邊等缺陷得到了很好地抑制，如圖4（a）所示；同時(shí)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，切削效果進(jìn)一步改善，尤其高速時(shí)，表面質(zhì)量更好，幾乎沒(méi)有毛刺、卷曲等缺陷，如圖4（b）～圖4（e）所示。

冰固持表面平整光滑，可明顯看出蜂窩單層和雙層合金的銑削斷面刀痕均勻（見(jiàn)圖5（a）），同時(shí)雙層釬焊面致密無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖5（b）），雙層釬焊蜂窩分支處無(wú)不規(guī)則變形和破壞形態(tài)（見(jiàn)圖5（c）），此外通過(guò)3D表面輪廓儀測(cè)試可知，加工表面面型輪廓規(guī)則，尤其高轉(zhuǎn)速切削時(shí)表面更加平整（見(jiàn)圖5（d）和圖5（e））。

圖3　無(wú)冰固持加工Fig.3 Non-ice fixation processing

圖4　冰固持加工形貌Fig.4 Ice fixation processing morpho1ogy

2.2表面粗糙度分析

由于無(wú)冰固持加工蜂窩表面質(zhì)量很差，可無(wú)需粗糙度測(cè)量，而只分析工藝參數(shù)對(duì)冰固持超低溫加工表面粗糙度影響，如圖6所示。隨切削速度增加，加工表面粗糙度值顯著下降，表面質(zhì)量明顯改善，但高速時(shí)質(zhì)量提高趨緩；切削深度增加，表面粗糙度值明顯升高，切深對(duì)表面質(zhì)量影響較大。因此，可選擇較高切削速度和適當(dāng)切削深度來(lái)實(shí)現(xiàn)合金蜂窩的高質(zhì)高效切削。

圖5　表面形貌Fig.5 Surface microstructure

圖6　冰固持加工表面粗糙度Fig.6 Ice fixation processed surface roughness

圖7　切削速度對(duì)銑削力影響Fig.7 Fffect of cutting speed on mi11ing force

2.3銑削力分析

鎳基合金蜂窩有、無(wú)冰固持和純冰的3方向銑削力實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示，銑削力在冰固持條件下幾乎都大于無(wú)冰固持，且變化較規(guī)律，隨切削參數(shù)增加有規(guī)律性的增大，說(shuō)明此時(shí)有更大體積的脆硬相參與了切削，增加了加工阻力。而純冰切削力介于有、無(wú)冰固持蜂窩之間，且變化較規(guī)律，接近線性變化，主要是雖然合金硬度遠(yuǎn)大于純冰，但相同切削周期純冰的去除體積較無(wú)冰固持蜂窩大得多，故銑削力較后者大，同時(shí)純冰結(jié)構(gòu)規(guī)則，使其隨切削參數(shù)呈規(guī)律變化。此外，水平方向力Fx、Fy隨切削速度增加而減小，而無(wú)冰固持背向力Fz在高速時(shí)有些增加，主要是高速銑削振動(dòng)加劇以及溫升引起刀具和工件膨脹，導(dǎo)致軸向受阻增強(qiáng)。隨著進(jìn)給速度的增加，銑削力變化不大，如圖8所示。而隨切深增加，如圖9所示，銑削力都呈增大趨勢(shì)，且變化更加明顯，尤其大切深時(shí)，軸向有更大的切削力。切削力影響順序：切深影響最大，其次是切削速度，進(jìn)給速度影響最小。尤其大切深時(shí)，無(wú)冰固持的z向切削力首次超過(guò)冰固持，主要是大切深時(shí)，切削力增大導(dǎo)致蜂窩受水平向壓應(yīng)力增大，同時(shí)由于固持力太小，引起蜂窩變形加劇，部分蜂窩得不到有效切削，蜂窩切削面成為斜面；此外切深增加刀具和加工面振動(dòng)加劇，導(dǎo)致z向阻力增加，而y、x向出現(xiàn)些許下降趨勢(shì)。

圖8　進(jìn)給速度對(duì)銑削力影響Fig.8 Fffect of feed speed on mi11ing force

圖9　切削深度對(duì)銑削力影響Fig.9 Fffect of cutting depth on mi11ing force

2.4冰固持有效切削性分析

2.4.1無(wú)冰固持加工缺陷分析

通過(guò)無(wú)冰固持加工表面形貌（見(jiàn)圖3）可知，毛刺加工缺陷主要出現(xiàn)在釬焊面（雙層蜂窩）的加工端面頭、尾部，卷曲和塌邊缺陷主要出現(xiàn)在蜂窩側(cè)面（單層蜂窩），蜂窩變形缺陷主要出現(xiàn)在試樣邊緣的蜂窩上。

如圖10所示蜂窩結(jié)構(gòu)，并基于文獻(xiàn)［9］對(duì)正六邊形蜂窩芯子的力學(xué)性能分析結(jié)果，可得鎳基蜂窩面內(nèi)彈性力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算公式為

式中：E為鎳基彈性模量；E1為雙層蜂窩彈性模量；E2為單層蜂窩彈性模量。

由于蜂窩壁厚h只有0.02 mm，l為10 mm，蜂窩面內(nèi)徑向模量降為鎳基基體的10-5左右，導(dǎo)致面內(nèi)徑向強(qiáng)度非常低，加工缺陷嚴(yán)重。

圖10　蜂窩結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of honeycomb

下面分別分析各缺陷產(chǎn)生的原因：

1）卷曲和塌邊。該缺陷主要出現(xiàn)在蜂窩側(cè)面（單層蜂窩）斷面，由于該斷面的單層蜂窩特點(diǎn)，導(dǎo)致該處薄壁蜂窩壁面內(nèi)徑向強(qiáng)度和剛度較低。同時(shí)切削力較低且均勻，徑向剪切強(qiáng)度較低，甚至不足以切斷合金，而是將被加工面大面積壓彎或壓塌，導(dǎo)致該處斷屑不足，出現(xiàn)卷曲和塌邊缺陷。

2）蜂窩變形缺陷。該缺陷出現(xiàn)在試樣邊緣蜂窩上，主要考慮蜂窩材料面內(nèi)受力特性。相比于中央?yún)^(qū)域蜂窩，試樣邊緣面內(nèi)強(qiáng)度最低，前者在切削力作用下，加工面只是出現(xiàn)較小變形，并由切削變形承擔(dān)。而在邊緣區(qū)域，切削力完全作用于單個(gè)或部分蜂窩上，又由于蜂窩底面固定，導(dǎo)致蜂窩上部出現(xiàn)較大變形，正六邊形形態(tài)遭到破壞，引起嚴(yán)重變形缺陷。

3）開(kāi)焊缺陷。基于蜂窩試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)加工釬焊面（雙層蜂窩）端面的頭尾部時(shí)，由于銑削面處于單、雙層蜂窩過(guò)渡部位，銑削力變化梯度較大。如雙層變單層時(shí)，銑削力將減少接近一半，又由于蜂窩材料韌性及強(qiáng)度都很大，以及切削力不足和分布不均，引起切削振動(dòng)增大，切斷面受拉嚴(yán)重，斷屑方式主要是拉斷，同時(shí)釬焊面兩端粘接強(qiáng)度較中間弱，引起開(kāi)焊缺陷。

綜上所述，鎳基合金蜂窩加工缺陷主要是切削力不均，以及蜂窩面內(nèi)徑向剛度、強(qiáng)度低引起的。2.4.2 冰固持加工機(jī)理分析

1）超低溫切削蜂窩性能變化。SFM表面微觀形貌如圖11所示，無(wú)冰固持加工表面粗糙和邊緣有拉伸裂縫出現(xiàn)。根據(jù)斷裂方式不同，斷裂微區(qū)可分成3個(gè)區(qū)域。最外層相對(duì)平整，主要是經(jīng)XRD檢測(cè)獲得鎳基合金材料本身的最外層存在有幾微米厚的氧化脆性相A12O3和Cr2O3，如圖12所示，使該層呈現(xiàn)具有剪切斷裂性能的斷裂形貌。在第2區(qū)可看到拉伸斷裂裂紋，同時(shí)由于蜂窩的弱剛性和合金的高強(qiáng)度性能，尤其合金低導(dǎo)熱性［10］導(dǎo)致切削區(qū)散熱較慢，溫升較快，因此第3區(qū)合金塑性升高。可推斷該區(qū)域斷屑方式為拉伸斷裂，表面呈現(xiàn)不規(guī)則卷曲形貌。

圖11　SFM表面形貌Fig.11 SFM surface microstructure

圖12　無(wú)冰固持表面相組成Fig.12 Non-ice fixation phases on surface

由于液氮作用于切削區(qū)，瞬間溫度可降至-196℃，相對(duì)于無(wú)固持常溫切削，冰固持超低溫切削時(shí)，切削點(diǎn)處蜂窩強(qiáng)度增加，尤其屈服強(qiáng)度增大，而抗拉強(qiáng)度更增加了超過(guò)20%，導(dǎo)致蜂窩脆性增加，如表2所示。更多的蜂窩由加工時(shí)具有產(chǎn)生裂紋、裂紋擴(kuò)展的拉伸斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧系募羟袛嗔眩邢鞅砻孑^無(wú)冰固持平整。此外無(wú)液氮冰固持切削條件下，由于合金只存在于純冰低溫環(huán)境下（本文中冰溫度-50℃以下），力學(xué)性能變化沒(méi)有液氮超低溫條件下明顯，故達(dá)不到脆性切削效果。因此本文采用液氮冰固持超低溫切削方式。

表2　GH4169不同溫度力學(xué)性能［11-12］Tab.2 Mechanica1 properties of GH4169 at different temperatures

2）固持力增大。蜂窩固持力類似于夾緊力，無(wú)冰固持的粘接固持3方向固持力98 N、98 N、42 N，僅作用于粘接面上，而遠(yuǎn)離粘接面的加工面固持力非常小，甚至可以忽略，遠(yuǎn)小于切削力，故切削時(shí)易出現(xiàn)加工缺陷；通過(guò)冰固持處理后冰固持力達(dá)到287 N、287 N、245 N，且分布均勻，遠(yuǎn)大于切削力；此外冰固持鎳基薄壁蜂窩材料類似于樹(shù)脂基增強(qiáng)芳綸纖維材料，由于純冰在-50℃以下時(shí)抗壓強(qiáng)度保持在6.5 MPa，薄壁蜂窩徑向抗壓強(qiáng)度非常低，甚至僅有幾百帕，故蜂窩徑向抗壓強(qiáng)度迅速提高。蜂窩固持力增大，抑制了加工時(shí)受力變形，同時(shí)冰固持力分布均勻，各切削區(qū)切削力波動(dòng)較小，故各區(qū)域蜂窩加工均勻，且無(wú)變形。

3）切削力增大。由于蜂窩切削點(diǎn)承受銑刀刀刃壓力不足，蜂窩未被有效切斷現(xiàn)象，以及蜂窩本身徑向低剛度，且在瞬間高溫受力后合金出現(xiàn)自動(dòng)避讓和伸長(zhǎng)的特性，也將引起毛刺、卷曲缺陷。又由于冰固持后合金超低溫下強(qiáng)度增加，以及在純冰高硬度環(huán)境下，冰包合金復(fù)合材料總體強(qiáng)度增加，導(dǎo)致切削力大幅增大，如圖9（a）所示，相同切削參數(shù)下最大可增加3倍。切削力的提高也從很大程度上解決了蜂窩切削力不足的問(wèn)題，毛刺缺陷得到有效抑制。

3 結(jié)論

1）相比于傳統(tǒng)固持加工方式，經(jīng)冰固持低溫銑削蜂窩表面質(zhì)量有很大提高，切深對(duì)表面質(zhì)量影響較大；同時(shí)銑削力有較大提高，最高可提高3倍，切深對(duì)其影響最大，而進(jìn)給速度最小。

2）冰固持超低溫銑削提高了蜂窩固持力，且實(shí)現(xiàn)了超低溫長(zhǎng)時(shí)切削，并使斷屑方式由強(qiáng)韌的拉伸斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘤驳募羟袛嗔选?/p>

3）冰固持提高了薄壁鎳基蜂窩面內(nèi)強(qiáng)度，抑制了加工缺陷，為面內(nèi)徑向等效強(qiáng)度小、低剛度薄壁蜂窩材料高效加工提供了新方法。

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Research on Milling of Ni-based Alloy Honeycomb Material at Ice Fixation and Cryogenic Temperatures

WANG Feng-biao，HOU Bo，YUAN Kai，WU Di，ZHOU Lian-jie
（Schoo1 of Mechanica1 Fngineering，Da1ian University of Techno1ogy，Da1ian 116024，Liaoning，China）

Considering the burr and co11apse edge of machined 1ow stiffness and thin-wa11ed nicke1-based a11oy honeycomb materia1 using in aerospace，the fixation and processing method shou1d be improved. The materia1 is treated by ice fixation method.CNC mi11ing machine is used for the cryogenic processing. The honeycomb mi11ing properties and the causes of machining defects are ana1yzed.Low-temperature mi11ing mechanism of ice fixation is estab1ished.Resu1ts show that，compared to the traditiona1 processing way，the qua1ity of surfaces mi11ed at ice fixation is significant1y improved，and the processing defects are effective1y suppressed.The cutting depth has greater inf1uence on surface qua1ity than spind1e speed.The proposed method can be used to improve the strength of honeycomb.The effects of cutting parameters on mi11ing force are ana1yzed：the cutting depth has the most significant effect on mi11ing force，fo11owed by spind1e speed and feed speed.

manufacturing techno1ogy and equipment；nicke1 based a11oy；honeycomb materia1；defect；ice fixation；mi11ing force；equiva1ent strength

TH161

A

1000-1093（2016）05-0888-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.05.016

2015-10-08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2014ZX04015021）

王鳳彪（1979—），男，副教授。F-mai1：wfb_0_0@163.com