高壓冷卻下鋸齒形切屑幾何表征試驗

吳明陽 于永新 程耀楠 李錄彬 趙 旭

哈爾濱理工大學高效切削及刀具國家地方聯合工程重點實驗室，哈爾濱，150080

0 引言

在眾多高溫合金材料中，鎳基高溫合金能夠在650 ℃ 以上條件下長期維持組織穩定性，具有較高的屈服強度和抗疲勞性能等優良的機械性能，被廣泛應用在航空、航天等領域，尤其應用在航空發動機的熱端工作部件[1]。但鎳基高溫合金是一種典型的難加工材料，切削加工性差，普通的涂層硬質合金刀具與陶瓷刀具在切削過程中磨損嚴重，切屑不易折斷，已加工表面質量無法保證[2-3]。采用先進的刀具進行加工已成為一種趨勢。聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride ，PCBN)刀具在加工難加工材料方面具有較大潛能，但仍然存在很多問題，如PCBN刀具為平前刀面，切屑折斷機理為切屑自然卷曲折斷，斷屑效果仍不明顯，且生成的鋸齒形切屑的鋸齒化程度會造成切削力波動、加劇刀具磨損甚至出現破損現象，進而影響加工質量和效率。

目前，針對難加工材料切削加工方面的問題，人們對刀具磨損、鋸齒形切屑形成機理、切屑變形等方面研究較多。KHAN等[4]進行了PCBN刀具精車削Inconel 718高溫合金刀具磨損與壽命試驗研究，得到刀具主要的磨損形式是后刀面磨損的結論。BUSHLYA等[5]研究發現，切削速度是影響涂層或非涂層刀具壽命的最大因素。何耿煌等[6]研究發現，負倒棱改變切削力的方向是延長刀具壽命的本質原因。慶振華等[7]通過研究硬態切削鋸齒形切屑的形成過程，得到裂紋擴展是切屑分離的原因。吳明陽等[8]通過研究PCBN刀具切削高溫合金鋸齒形切屑形成機理，確定了絕熱剪切帶位置與兩個切屑鋸齒形成關系,并建立了鋸齒形切屑的形成機理模型。ARRAZOLA等[9]通過有限元仿真分析發現，鋸齒形切屑的形成依賴于切削速度和材料的屬性參數。楊奇彪等[10]通過高速切削 Ti6Al4V 實驗，得到切屑的鋸齒化程度可判別普通切削、高速切削和超高速切削的結論。曹自洋等[11]通過建立Johnson-Cook本構模型，分析了鋸齒形切屑的等效塑性應變。李亭亭等[12]通過PCBN刀具切削鎳基高溫合金實驗發現，高溫合金切削過程中易產生切屑塑性側流現象。趙旭[13]通過PCBN刀具切削鎳基高溫合金GH4169試驗研究發現，隨著切削速度與背吃刀量的增大，斷屑效果有所提升；而隨著進給量的增大，斷屑越來越困難。VAGNORIUS[14]通過高壓冷卻下的陶瓷刀具切削 Inconel 718高溫合金試驗發現，刀具缺口雖略有呈現,但對刀具壽命的影響不再重要。段春爭等[15-16]研究發現，隨著刀具前角的增大，切屑的鋸齒化程度降低,切削力減小，鋸齒化頻率增大。

綜上所述，國內外學者針對常規條件下的鋸齒形切屑形成機理及形貌的研究較多，但對高壓冷卻條件下， PCBN刀具切削高溫合金鋸齒形切屑的幾何表征研究較少，因此，本文通過高壓冷卻下PCBN刀具車削GH4169鎳基高溫合金試驗，基于前人已建立的鋸齒形切屑幾何表征的理論模型，研究高壓冷卻條件下切屑的宏觀形態以及切削用量和冷卻液壓力對鋸齒形切屑幾何表征的影響規律。

1 鋸齒形切屑的幾何表征

鋸齒形切屑是難加工材料切削加工產生的典型特征，在幾何形態上，與帶狀連續切屑的區別在于鋸齒形切屑具有周期性鋸齒、切屑的厚度不均勻等特點。對于鋸齒形切屑幾何形態的研究，主要從鋸齒化程度、鋸齒化頻率和鋸齒化步距三方面對鋸齒形切屑進行幾何表征研究。

1.1 鋸齒化程度

在切屑的鋸齒化程度研究方面，SCHULZ等[17]等采用圖1所示的模型對切屑鋸齒化程度進行研究。該鋸齒化程度表征模型不僅可以定量地研究切屑的幾何形狀,而且適合研究切屑的鋸齒變形均勻程度，故本文選用該模型對鋸齒化程度GS進行研究，其表達式如下：

(1)

式中，h1為切屑底部到切屑鋸齒頂端的距離；h2為切屑底部到切屑鋸齒最低端的距離。

圖1 切屑鋸齒化程度分析Fig.1 The analysis of segmented degree of chip

EKINOVIC等[18]建立了圖2所示的鋸齒形切屑簡化模型，在金屬切削過程中，該模型可作為高速切削的判據。該模型中，鋸齒化程度可表示為

(2)

式中，A1為切屑鋸齒連續部分的面積；A2為切屑單個鋸齒的面積；d為切屑底部到切屑鋸齒最低端的距離；D為切屑底部到切屑鋸齒頂端的距離。

圖2 鋸齒形切屑簡化模型Fig.2 A simplified model of serrated chip

1.2 鋸齒化頻率

鋸齒化頻率表示單位長度(或單位切削時間)范圍內鋸齒形切屑上所包含的鋸齒個數。鋸齒化頻率的計算方式有兩種：基于單位切削時間進行計算和基于單位長度進行計算。本文選用基于單位長度的計算方式對鋸齒化頻率f進行計算，其表達式如下：

(3)

式中，L為選定的鋸齒形切屑長度；n為選定的鋸齒形切屑長度L內的鋸齒個數。

1.3 鋸齒化步距

鋸齒化步距表示相鄰兩個鋸齒之間的距離，其表征符號為Pc，如圖3所示。

圖3 鋸齒化步距模型Fig.3 The model of serration step pitch

鋸齒化步距的大小代表鋸齒形切屑的變形程度，鋸齒化步距越大，表示相鄰兩個鋸齒的齒頂或齒根之間距離越大，鋸齒形切屑單位長度的變形也越明顯；反之，鋸齒化步距越小，相鄰兩個鋸齒的齒頂或齒根之間距離越小。

2 高壓冷卻下切屑幾何表征試驗研究

2.1 試驗條件

本文在高壓冷卻條件下采用PCBN刀具進行車削GH4169鎳基高溫合金試驗，GH4169的主要化學成分見表1，物理力學性能見表2。材料規格為φ60 mm×200 mm；試驗機床采用CKA6150數控車床；試驗刀桿選用山特公司的高壓冷卻刀桿PCLNR-2525M12HP，徑向角度為-6°，軸向角度為6°；試驗刀具采用株洲鉆石公司型號為CNGA120408T01515-2的PCBN刀具，刀片刃口參數如下：倒棱角度為-15°，倒棱寬度為0.15 mm，刀片前角為0°，刀片后角為0°,刀尖圓弧半徑為0.8 mm。圖 4所示為車削試驗裝備。

表1 GH4169的主要化學成分(質量分數)

表2 GH4169的物理力學性能(20 ℃)

圖4 車削試驗裝備Fig.4 Cutting test equipment

2.2 試驗方法

采用單因素試驗方法，通過改變切削用量和冷卻液壓力值對工件進行多次切削，收集不同切削用量與冷卻液壓力下的鋸齒形切屑，進行試樣的制備及拋磨，利用KEYENCE VHX-1000E超景深顯微鏡對鋸齒形切屑的形貌及幾何參數進行觀測，研究高壓冷卻潤滑條件下鋸齒形切屑的幾何表征。本試驗參數主要包括切削速度v、進給量fz、背吃刀量ap和冷卻液壓力p，具體試驗參數見表3。

表3 單因素試驗參數

2.3 試驗結果與分析

鎳基高溫合金的切削加工性能較差，切削變形大，雖然PCBN刀具在加工高溫合金方面具有較大潛能，但PCBN 刀具為平前刀面，斷屑效果仍不明顯。為了使PCBN刀具在高溫合金切削加工中發揮更大潛能，需分析高壓冷卻條件下的切屑宏觀形態，如圖5所示。

p=0 p=7 MPa p=9 MPap=11 MPa圖5 高壓冷卻下切屑宏觀形態(v=160 m/min，fz=0.15 mm/r，ap=0.4 mm)Fig.5 Macro morphology of chips underhigh-pressure cooling(v=160 m/min，fz=0.15 mm/r，ap=0.4 mm)

由圖5可以看出，在試驗范圍內，當切削用量相同時，冷卻液壓力p由0增大至11 MPa時，不同冷卻液壓力值下的切屑長度形成鮮明對比，常規切削下(p=0)的切屑長度達85 mm，而當冷卻液壓力為11 MPa時，切屑長度僅為6 mm。由此可知，高壓冷卻條件可以明顯提升斷屑能力，且冷卻液壓力值越大，切屑長度越短，斷屑效果越明顯，切屑呈碎斷形。其原因是在高壓冷卻條件下，冷卻液壓力被施加在切屑與刀尖接觸處，使得切屑所受彎矩增大，刀-屑接觸長度減小，從而使得斷屑性能得到改善。研究結果為研究高壓冷卻條件下切削用量與冷卻液壓力對鋸齒形切屑幾何表征的影響提供了理論依據。

根據鋸齒形切屑顯微測量圖(圖6)，對齒頂高h1、齒根高h2、步距Pc等參數分別進行5次測量,取平均值后進行幾何表征的計算。其中，1表示齒頂高，2表示齒根高,3表示選定的鋸齒形切屑長度，4表示鋸齒化步距。

圖6 鋸齒形切屑顯微測量圖(v=160 m/min，fz=0.15 mm/r，ap=0.4 mm，p=11 MPa)(×500)Fig.6 Measured micrograph of serrated chip(v=160 m/min，fz=0.15 mm/r，ap=0.4 mm，p=11 MPa)(×500)

2.3.1切削用量對切屑幾何表征的影響

圖 7所示為不同切削用量對鋸齒化程度的影響規律，可以看出，在常規切削條件下，隨著切削速度、進給量和背吃刀量的增大，切屑鋸齒化程度提高，其中切削速度對鋸齒化程度的影響較大，原因是隨著切削速度的增大，絕熱剪切現象逐漸劇烈，導致鋸齒之間的接觸長度減小，鋸齒化程度更加明顯，若繼續增大切削速度，將導致相鄰鋸齒分離；隨著進給量和背吃刀量的增大，引起了切削溫度的升高，相鄰兩個鋸齒之間的裂紋增大，從而提高了鋸齒化程度。在高壓冷卻條件下，鋸齒化程度低于常規切削條件下的鋸齒化程度，其原因是在高壓冷卻條件下，由于高壓冷卻液的存在，冷卻液噴射至刀-屑接觸區域內，將有效減少加工過程中所產生的切削熱量，從而抑制了絕熱剪切現象的產生，同時減小了加工過程中所產生的摩擦力，使得切屑兩齒之間的接觸區長度較常規切削下兩齒之間的接觸區長度增大，因此降低了鋸齒化程度。

(a)切削速度對鋸齒化程度的影響

(b)進給量對鋸齒化程度的影響

(c)背吃刀量對鋸齒化程度的影響圖7 切削用量對鋸齒化程度的影響Fig.7 Influence of cutting parameters on segmented degree

圖8所示為不同切削用量對鋸齒化頻率的影響規律，可以看出，在常規切削條件下，隨著切削速度、進給量和背吃刀量的增大，鋸齒化頻率減小，這是因為絕熱剪切失穩是鋸齒形切屑形成的原因，絕熱剪切現象隨著切削用量的增大而明顯，被切削金屬內部發生剪切滑移，切屑變形區中未變形的區域增大，鋸齒化頻率減小；同時由于進給量和背吃刀量的增大，使得切屑變形量增大，切屑剪切滑移區面積向鋸齒頂層擴大，使得單個鋸齒形成的速度減慢，進而影響了整體切屑的流出速度，最終導致鋸齒化頻率降低。對比可以發現，當切削用量相同時，高壓冷卻條件下的鋸齒化頻率小于常規條件下的鋸齒化頻率，原因是高壓冷卻條件抑制了絕熱剪切現象的產生。

(a)切削速度對鋸齒化頻率的影響

(b)進給量對鋸齒化頻率的影響

(c)背吃刀量對鋸齒化頻率的影響圖8 切削用量對鋸齒化頻率的影響Fig.8 Influence of cutting parameters on serration frequency

(a)切削速度對鋸齒化步距的影響

(b)進給量對鋸齒化步距的影響

(c)背吃刀量對鋸齒化步距的影響圖9 切削用量對鋸齒化步距的影響Fig.9 Influence of cutting parameters on serration step pitch

圖9所示為不同切削用量對鋸齒化步距的影響規律，可以看出，兩種條件下的鋸齒化步距均隨著切削用量的增大而增大，但高壓冷卻條件下的鋸齒化步距較小，原因是隨著切削速度的增大，相鄰鋸齒間的連接面積減小，加劇了相鄰鋸齒的分離；隨著進給量和背吃刀量的的增大，刀-屑接觸面積增大，產生了足夠的切削熱量，可對切削區金屬進行軟化，切屑側向翻轉可能性增大，相鄰鋸齒間的裂紋增大，鋸齒化步距增大。而高壓冷卻液的存在，使得切削溫度降低，材料軟化效應減弱，因此在高壓冷卻條件下的鋸齒化步距較小；由于當PCBN刀具切削洛氏硬度大于50 HRC的硬質材料時，背吃刀量選擇一般不小于0.3 mm，因為小背吃刀量切削易造成刀具磨損[19]，使得切削力增大，又由于附加冷卻液壓力的存在，使得切屑受擠壓變形程度增大，鋸齒間的裂紋增大，因此當背吃刀量為0.2 mm時，高壓冷卻條件下的鋸齒化步距大于常規切削條件下的鋸齒化步距。

2.3.2冷卻液壓力對切屑幾何表征的影響

(a)鋸齒化程度

(b)鋸齒化頻率

(c)鋸齒化步距圖10 冷卻液壓力對切屑幾何表征的影響Fig.10 Influence of coolant pressure on geometrical characterization of chip

圖10所示為切削用量一定時，冷卻液壓力對切屑幾何表征的影響規律，其中圖10a所示為冷卻液壓力對鋸齒化程度的影響，可以看出，隨著冷卻液壓力的增大，鋸齒化程度明顯降低，其原因是當冷卻液壓力一定時，冷卻液能帶走部分切削熱量，切削溫度隨之降低；此外，隨著冷卻液壓力的增大，切屑所受的彎矩增大，斷屑效果增強，切屑內部變形時間縮短，鋸齒形切屑相鄰鋸齒間的接觸長度增大，鋸齒化程度降低，從而使得內部變形程度更加均勻。圖10b所示為冷卻液壓力對鋸齒化頻率的影響，可以看出，當切削用量一定時，隨著冷卻液壓力的增大，鋸齒化頻率增大，其原因是隨著冷卻液壓力的增大，冷卻液流量增加，帶走了更多的切削熱量，降低了切削溫度，從而減緩了絕熱剪切現象的發生速度，摩擦力減小，使得剪切滑移區鋸齒向頂層擴散的距離減小，因此增大了鋸齒化頻率，從而使得鋸齒排列更加均勻。圖10c所示為冷卻液壓力對鋸齒化步距的影響，可以看出，隨著冷卻液壓力的增大，鋸齒化步距增大，當冷卻液壓力增大至一定值后，鋸齒化步距開始減小，這表明當冷卻液壓力較小時，冷卻液壓力對切削溫度和摩擦力的影響較小，絕熱剪切現象依然嚴重；當冷卻液壓力增大至一定值后，對絕熱剪切現象起到了良好的抑制效果，因此鋸齒化步距逐漸減小。

2.3.3切屑幾何表征的影響因素評價

在切削用量及冷卻液壓力對切屑幾何表征的影響規律分析過程中，不同影響因素具有不同的量綱，為了進一步綜合對比評價切削速度、進給量、背吃刀量和冷卻液壓力對切屑幾何表征的影響程度，需要消除因素的量綱影響，以解決數據指標的可比性，故采用了歸一化方法。切屑幾何表征的歸一化結果見圖11，其轉換函數為

(4)

式中，Y為量綱一數值；X為樣本數據值；Xmin為樣本數據最小值；Xmax為樣本數據最大值。

(a)鋸齒化程度

(b)鋸齒化頻率

(c)鋸齒化步距圖11 切屑幾何表征的歸一化結果Fig.11 The normalized results of geometrical characterization of chip

通過極差和極差比，分析圖 11所示的切屑幾何表征歸一化結果，對比評價切削用量和冷卻液壓力對切屑幾何表征的顯著性影響規律。由鋸齒化程度的歸一化結果(圖11a)可知，在切屑幾何表征試驗范圍內，切削用量和冷卻液壓力對鋸齒化程度的影響程度由高到低依次為切削速度、進給量、背吃刀量、冷卻液壓力，并得到切削速度對鋸齒化程度的影響是冷卻液壓力對鋸齒化程度影響的1.8倍左右。由鋸齒化頻率的歸一化結果(圖11b)可知，切削用量和冷卻液壓力對鋸齒化頻率的影響程度由高到低依次為進給量、背吃刀量、冷卻液壓力、切削速度。由鋸齒化步距的歸一化結果(圖11c)可知，切削用量和冷卻液壓力對鋸齒化步距的影響程度由高到低依次為背吃刀量、切削速度、進給量、冷卻液壓力。根據綜合對比評價可知，切削用量是鋸齒形切屑幾何表征的主要影響因素，但冷卻液壓力依然可以起到輔助降低切屑鋸齒化程度的作用，這是因為鋸齒形切屑是難加工材料切削加工產生的典型特征，與材料自身的物理力學性能有關，故切削用量和冷卻液壓力只是改善切屑變形程度及斷屑效果，且高壓冷卻條件在提升斷屑效果的同時可以降低切屑鋸齒化程度，從而可改善鋸齒形切屑的幾何表征，使切屑內部形變程度更加均勻，是獲得良好屑形、改善切削環境的較好切削方式。

3 結論

(1)高壓冷卻條件可以明顯提升斷屑能力，在試驗條件范圍內(7～11 MPa)，冷卻液壓力越大，斷屑效果越顯著，切屑呈碎斷形。

(2)通過切削條件的對比，分析鋸齒形切屑幾何表征可知，高壓冷卻條件下鋸齒化程度、鋸齒化頻率和鋸齒化步距明顯較小；在試驗條件范圍內(7～11 MPa)，隨著冷卻液壓力的增大，鋸齒化程度降低，鋸齒化頻率增大，鋸齒化步距先增大后減小。

(3)通過歸一化處理的方法可知，切削用量和冷卻液壓力對鋸齒化程度的影響程度由高到低依次為切削速度、進給量、背吃刀量、冷卻液壓力；高壓冷卻條件在提升斷屑效果的同時可以降低切屑鋸齒化程度，使切屑內部形變程度更加均勻，是獲得良好屑形、改善切削環境的較好切削方式。