鑄造高溫合金K423A內圓車削工藝優化研究

聶聰，蘇宏華，胡浩

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

K423A合金是我國自行研制的鎳基等軸晶鑄造高溫合金，合金的強度高，抗氧化、抗疲勞性能好，使用溫度最高可達1 050 ℃，是目前國內航空發動機廣泛使用的高溫材料，也是典型的難加工材料[1-3]。高溫合金切削過程中具有熱傳導率低、加工硬化嚴重、高溫強度高等特點[4-7]，給加工制造帶來了嚴峻挑戰。主要困難表現在：加工工具壽命短，加工效率低，加工表面完整性差，難以適應發動機零部件高效、高質量、低成本的加工需求。涂層硬質合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，是加工鎳基高溫合金的常用刀具。但是，目前采用硬質合金刀具切削加工K423A鑄造高溫合金的研究報道較少，針對內圓特征的切削研究更顯不足。

本文通過對涂層硬質合金刀具內圓切削K423A高溫合金的試驗研究，分析切削力與刀具磨損，綜合考慮切削效率與刀具壽命，提出優化的切削參數。

1 試驗條件及方案

1.1 試驗材料及刀具

試驗所用工件材料為K423A鑄造高溫合金，材料的質量分數見表1，主要物理及力學性能見表2。試驗工件為整體鑄件，結構較為復雜，采用花盤裝夾，內圓車削部分規格為φ186 mm×40 mm。涂層硬質合金刀片選用的CNMG120412，匹配刀桿A25T-DCLNR12。試驗時，刀桿懸伸長度為56 mm。

表1 K423A的質量分數 (%)

表2 K423A主要物理及力學性能

1.2 試驗方案

試驗在SK50P數控車床上進行，采用Kistler9272型三向壓電式測力儀、5070A型電荷放大器和DynoWare V2.51型力信號采集系統等儀器測切削力。測力儀安裝時，使z向為切削速度方向，x向為進給方向，y向為切深方向，即Fz為主切削力，Fx為進給抗力，Fy為切深抗力。用Hirox KH-700三維視頻顯微鏡跟蹤拍攝測量刀具磨損量。磨鈍標準為：后刀面平均磨損量VB=0.3mm或后刀面最大磨損量VBmax=0.6m。

本文選定切深ap為1.5mm，對切削速度v和進給量f進行二元排列法全搭配試驗，切削速度選取10m/min，15m/min，20m/min，25m/min 4個水平，進給量選取0.1mm/r，0.15mm/r，0.2mm/r 3個水平。

2 試驗結果與分析

2.1 切削力分析

切削力隨切削速度變化情況如圖1所示。在進給量為0.1～0.2mm/r范圍內，主切削力隨切削速度的增大表現得相對平穩，變化幅度均在100N以內。進給量在0.1mm/r和0.15mm/r時，主切削力隨速度的增大都出現下降的趨勢。這是因為切削速度增大，剪切角增大，摩擦系數和變形系數減小，切削力隨之減小。另外，速度增大，材料的熱軟化作用愈加明顯，切削力下降[8]。進給量增大到0.2mm/r時，進給量帶來的熱軟化作用效果顯著，使得切削力在v=15m/min時便下降到最小值。之后切削力增大，主要是因為刀具磨損加劇，在切削速度為20m/min時，較早出現了微崩刃，25m/min時，明顯觀察到微崩刃與前刀面的片狀剝落、月牙洼。

圖1 切削力隨切削速度的變化

在切削速度為10～25m/min范圍內，切削力隨進給量的變化呈現較好的規律性，均隨進給量的增大而增大，主切削力基本在700～1 300N之間。普遍認為，進給量增大，切削面積增大，使得變形力和摩擦力增大；切削力隨之增大，另一方面，進給量增大，切削溫度升高同樣帶來熱軟化效應。同時，切削厚度增加，變形系數減小，又會減小切削力[10]。二者共同作用，影響切削力的變化。總的來看，前者對切削力的影響明顯大于后者，但在v=15m/min和20m/min時，進給量增大到0.2mm/r時，切削力增幅減小，后者的影響顯現出來。

2.2 后刀面磨損量分析

后刀面磨損量隨切削路徑的變化情況如圖2所示。在進給量為0.1～0.2mm/r，切削速度為10～20m/min范圍內，切削速度對刀具磨損和刀具壽命的影響呈現較好的一致性，速度越小，刀具壽命越長，刀具磨損愈加緩慢。在f=0.15mm/r時，切削速度為10m/min時刀片的刀具壽命是400m，切削路程是25m/min速度下的4倍，是15m/min速度下的1.5倍，f=0.2mm/r時，10m/min速度下刀片的切削路程是其他切削速度下切削路程的2～3.5倍，切削速度對刀具壽命的影響可見一斑。另外，進給量為0.15mm/r時，15m/min和20m/min速度下出現了時間較短的穩定磨損階段，0.2mm/r的進給量下，15～25m/min速度下刀具磨損急劇增大直至達到磨鈍標準，10m/min速度下刀具雖然也沒有出現明顯的穩定磨損階段，但在整個刀具壽命中磨損緩慢。進給量對刀具壽命的影響呈現出與切削速度一致的規律，進給量越大，刀具壽命越短。在切削速度為25m/min時，f=0.1mm/r下的刀具壽命是其他進給量下的1.67～2倍。由此可知，低速和小進給量有利于刀具壽命，前刀面磨損過程如圖3所示，比較圖3(b)和圖3(c)，隨著進給量增大，低速(10m/min)對延長刀具壽命的影響變得更加顯著，而隨著切削力的增大，小進給量(0.1mm/r)對延長刀具壽命的影響在減小。在選擇切削參數時，從刀具壽命的角度考慮，應選擇10m/min、0.1mm/r的低速小進給量的參數切削，從切削效率的角度考慮，應當首先增大進給量，選擇較小的切削速度，以盡量減小對刀具壽命的影響。

圖2 后刀面最大磨損量隨切削路程的變化

刀片磨損形式主要是前刀面的月牙洼、片狀剝落，微崩刃，后刀面磨損等。刀具磨損初期，在前刀面上可觀察到微崩刃和輕微的片狀剝落。隨著切削的進行，月牙洼出現，這是由于切屑在高溫高壓下流經前刀面，與前刀面摩擦，在熱擴散、氧化、粘結綜合作用下，生成小的凹坑，形成月牙洼形式的磨損。在圖3(b)中，切削路程達到18m時明顯觀察到月牙洼與裂紋，裂紋是由于熱應力疲勞和刀具-切屑或刀具-工件的接觸疲勞產生的。圖3(c)中，切削路程達到27m時，裂紋更加明顯。在內圓車削中，振動嚴重，切削力大，各參數下的總切削力基本都在1 000N以上，此時裂紋的影響被放大，極易擴展形成片狀剝落或崩刃，導致刀具失效。在其他參數下，也觀察到嚴重的層狀剝落，與后刀面的剝落或磨損連在一起，致使鋒利的切削刃消失，刀片呈現極大的刃圓半徑，失去切削能力。

切削速度為10m/min時，刀具后刀面磨損較為穩定，磨損帶上最大磨損寬度常出現在中間位置，但隨著切削的進行，前刀面上的片狀剝落與不均勻微崩刃加劇，后刀面上也會發生剝落，位置集中在邊界或者最大磨損寬度處。v=20m/min時，片狀剝落導致刀尖處磨損嚴重，使得后刀面最大磨損寬度靠近刀尖，出現溝槽磨損，后刀面磨損情況如圖4所示。圖4中，在刀具整個壽命周期內，后刀面均可觀察到明顯的劃痕，這是磨粒磨損的典型形貌，在切削過程中，工件中的硬質點像磨粒一樣深入刀具的接觸表面，對刀具產生耕犁、刻劃作用。

圖3 前刀面磨損過程圖

對圖4(c)刀片上的粘結物在前刀面上做能譜分析(圖5)，粘結物含有豐富的Ni、Cr、Co、Mo等元素，可以確定為工件材料。Ni、Cr等元素粘附在刀具表面，不僅影響切削性能，同時增加了刀具與工件材料的親和性，使粘結更加嚴重，當粘結發展到一定程度時，工件與粘結物開裂，粘結物脫落，加劇刀具磨損[9]。

2.3 切削效率與刀具壽命

為便于直觀地比較分析，對各參數下的材料去除率和材料去除量做歸一化處理。v=25m/min，f=0.2mm/r時，材料去除率最大，為7 500mm3/min，各參數下的材料去除率均以真實材料去除率與該值的比值N表示。同樣的，v=10m/min，f=0.1mm/r時，材料去除量最大，為138cm3，各參數下的材料去除率均以真實材料去除率與該值的比值Q表示。

切削速度增大，進給量增大，刀具壽命隨之減小，雖然材料去除率增大，但刀具的材料去除量呈現減小的趨勢，說明在切削速度10～25m/min，進給量0.1～0.2mm/r范圍內，相比于切削效率，切削參數對刀具壽命的影響更為顯著。

在進給量為0.1～0.2mm/r范圍內，隨著速度增大，材料去除量減小，但速度在不同進給量水平上對材料去除量的影響程度不同，因速度增大而導致的材料去除量減小值在0.38～0.81之間；在切削速度為10～20m/min范圍內，在各速度水平上，進給量增大帶來的材料去除量減小值在0.35～0.45之間。在速度達到25m/min時，各進給量下的材料去除量近乎相等。總的來看，進給量對材料去除量的影響要小于切削速度。

圖4 后刀面磨損圖

圖5 刀片能譜分析圖

以材料去除率0.5為例，對應的切削參數及材料去除量可以為v=25m/min，f=0.1mm/r，Q=0.19，或者v=16.7m/min，f=0.15mm/r，Q=0.4，或者v=12.5m/min，f=0.2mm/r，Q=0.55。可見，為實現相同的切削效率，選擇較低的切削速度，對應提高進給量，可以獲得較大的材料去除量。

3 結語

在鑄造高溫合金K423A內圓車削過程中：

1) 切削速度對切削力的影響較小，在10～25m/min范圍內，主切削力在750～1 300N之間，而其隨速度的變化浮動不超過100N；進給量對切削力的影響更為顯著，進給量越大，切削力越大，但在v=15m/min和20m/min時，進給量增大到0.2mm/r時，切削力增幅明顯減小。

2) 10m/min和0.1mm/r下的切削路程明顯優于其他參數。隨著進給量的增大，10m/min速度下切削路程減小到其他進給量的2～3.5倍，隨著切削速度的增大，0.1mm/r下切削路程減小到其他進給量的1.67～2倍。

3) 相比于進給量，切削速度對材料去除量的影響更大，進給量為0.1～0.2mm/r范圍內，在各進給量水平上，因速度增大而導致的材料去除量減小值在0.38～0.81之間；切削速度為10～20m/min范圍內，在各速度水平上，進給量增大帶來的材料去除量減小值在0.35～0.45之間。