精密鏜削GH536刀具磨損試驗研究

■ 沈陽飛機工業（集團）有限公司 （遼寧 110850） 宋萬萬 劉 標 潘 新

G H 5 3 6合金是仿美國Hastelloy-X合金，是以Ni-Cr-Fe為基的固溶強化鎳基高溫合金，在750℃以上具有較好的抗氧化性、耐腐蝕性和一定的強度等綜合性能。兼有良好的冷熱加工成型和焊接等工藝性能，是目前制作航空發動機燃燒室等高溫部件的首選材料。隨著科學技術的發展，刀具切削性能不斷提高，但在加工高溫合金過程中，刀具磨損仍相當的嚴重，主要的原因是：鎳基高溫合金含有較多的硬質點，高溫強度大，單位切削力大，且其導熱率低，黏性大等特點造成切削溫度高，切削硬化嚴重，易產生積屑瘤，使零件尺寸精度和表面質量不易保證。

航空零件對定位孔的尺寸精度、形位公差和表面質量要求較高，通常采用精密鏜削的方法保證其精度和相對位置。受鏜刀、刀桿的結構和鏜削加工過程的特性影響，使得在鏜削加工的過程中，刀具磨損比較嚴重，刀具壽命降低，生產成本增加，產品精度下降，極易造成零件報廢。因此本研究在干切的環境中，通過運用試驗研究與分析的方法，不僅得到刀具磨損模型的辨識結果，而且得到了涂層硬質合金刀片鏜削GH536時，刀具的磨損形式及相關的機理。

1. 實驗研究

（1）試驗儀器：試驗在CAK6150數控鏜床上進行，利用奧林巴斯讀數顯微鏡觀察刀具的磨損量。使用掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對刀具磨損形態及局部化學成分進行分析。刀具為肯納涂層KC5510精密鏜刀片，其具體的參數為前、后角5°。

（2）鏜削試驗規劃及試驗結果：本精鏜加工試驗采取四因素水平，其試驗規劃采用中心組合設計，其優點在能做出正確的試驗結果條件下，不僅可以減少試驗次數，而且可以降低試驗的成本。擬合刀具耐用度預測模型的試驗規劃矩陣及試驗結果如圖1所示。

圖 1

（3）刀具磨損模型的建立：利用遺傳算法擅長全局搜索的優點，對刀具磨損模型進行參數辨識，并以鏜削GH536時的10組試驗數據為依據，對預測模型進行擬合。精密鏜削加工GH536時的刀具磨損模型的辨識結果如公式1所示，其種群適應度進化歷程如圖2所示。

圖2 種群適應度進化歷程

（4）刀具壽命與加工效率研究：通過參數辨識獲得的刀具壽命預測公式1及加工效率公式2可以分析二者的關系，獲得滿足加工效率和刀具壽命指標前提下的適合高溫合金加工的參數。

從刀具壽命試驗公式可以看出，在選定的切削參數范圍內，鏜削深度相比鏜削速度對刀具壽命的影響更大。主要原因是：試驗方案選擇的鏜削速度較為合理，未達到對刀具壽命有顯著影響的上限，而隨著鏜削深度的增加，切削熱不易散失，切削力和切削溫度升高，刀具與工件之間產生粘結和擴散，刀具壽命降低。通過刀具磨損量與加工效率公式計算結果繪制如圖3曲線，虛線代表等效率曲線，實線代表等壽命曲線（進給量f=0.15mm/r，切削時間t=10min）。試驗發現硬質合金涂層刀具鏜削效率一定時，適當增加鏜削速度，減小鏜削深度能夠提高鏜刀使用壽命。

2. 刀具磨損分析

該試驗的切削參數為ap=0.25mm，f=0.1mm/r，vc=40m/min。

圖4為刀具失效時刀具磨損形貌SEM圖，從圖中可以清晰的看到在刀具的前刀面、后刀面隨著切削距離的增大都出現了大范圍的磨損，切削刃也逐漸的破損。

（1）月牙洼磨損。在圖4中，受熱應力集中和接觸疲勞作用，在前刀面處出現了月牙洼。由于高溫合金有很好的韌性，在切削過程中很容易產生切屑毛邊和毛刺。這些毛邊和毛刺并不會隨著切削溫度的升高，逐漸的變形和軟化。

圖3 刀具磨損量與切削效率關系曲線

圖 4

隨著切削過程的繼續，這些切屑毛邊和毛刺會周而復始的以鋸齒狀撞擊刀具的前刀面和切削刃，尤其在前刀面和刃口處承受著交變應力使涂層產生了疲勞應力，進而產生了裂紋。隨著切削距離的增大，切削溫度的升高，使空氣中的C、H、O等元素浸入切削界面，刀具表層產生脆性相變，使刀具表層形成裂紋，在切屑的沖擊下使涂層逐漸的剝落，便產生了機械磨損。由于刀具基體的硬度比涂層的硬度小的多，隨著切削的進行使前刀面處出現了月牙洼。

（2）粘結磨損、擴散磨損。在鏜刀切削鎳基合金時，切削力大切削溫度高，切屑和刀具前后刀面不斷相互摩擦，在切削熱和切削力綜合作用下，刀具和工件之間出現局部冷焊粘結點。鎳基合金導熱系數低韌性好，切削熱都集中在前刀面，同時刀具涂層的抗熱振能力和韌性不是很好，在切削沖擊過程中很容易在涂層表面產生裂紋。

切削過程中形成的切屑在粘結物上產生塑性變形，粘結點的存在使得工件和刀具產生斷續接觸，正向壓力減小，易在粘結面上產生拉應力，造成刀具裂紋擴展，并隨切屑不斷被帶走。由于刀具的切削速度較高，粘結物不穩定，在沖擊的作用下，會使粘結層脫落并帶走部分刀具材料，在刀面上會產生凹坑的現象，形成粘結磨損。隨著粘結物會不斷的出現與消失，最后達到刀具的磨鈍標準。

在刀具和切屑的相互接觸、摩擦過程中，在親和力的作用下，部分原子相互溶解和相互擴散，改變刀具表面元素組成，使其強度降低，形成刀具的擴散磨損。如圖5b所示 ，1、6處Ni和Cr的含量分別達到了200和400，很好地證明了在鏜削的過程中發生了擴散磨損。粘結磨損和擴散磨損相互促進，是因為高溫合金中的 Ni 屬于過渡元素，化學活性高，刀具與工件材料之間存在較強的親和力，促使刀具發生了粘結磨損。

（3）溝槽磨損以及氧化磨損。加工過程中，加工表面上常含有各種硬質點顆粒、切屑毛邊以及在工件待加工表面形成的切削毛刺，它們不斷刮擦刀具的后刀面，使刀具的后刀面產生了溝槽磨損。如圖5中的點包含Al、C等元素，為刀具的涂層材料。同時1點的O元素，說明在切削區高溫作用下有氧化現象存在。

（4）切削刃的破損。由于高溫合金的高溫強度高，加工硬化嚴重，而且高溫合金中含有很多由于金屬碳化物、氮化物、硼化物以及金屬間化合物等構成的硬質點，再加上切屑毛邊和毛刺周而復始的撞擊，使切削刃受到不規律的、非周期性的沖擊和疲勞作用。同時在鏜削過程中，刀桿的振動，就加劇了切削刃的磨損。在前刀面的月牙洼和后刀面處的溝槽磨損，都會使切削刃的厚度逐漸的變薄，使得切削能力減弱，進而使切削刃破損。

3. 結語

GH536以優異的性能廣泛應用于航空發動機中，本文通過對涂層鏜刀片精密鏜削GH536試驗研究，并利用遺傳算法對刀具磨損模型進行參數辨識，得到了刀具磨損模型。對刀具壽命與切削效率進行分析，獲得了比較理想的切削參數、刀具壽命及效率。通過對刀具磨損進行分析，得到了刀具的主要磨損形式有：粘結磨損、擴散磨損、溝槽磨損、氧化磨損和機械磨損等。

[1] 趙明，徐林耀，張克實，等. 鎳基合金GH536材料高溫低循環疲勞特性研究[J]. 機械科學與技術，2002，21（2）：279-281.