微銑削單晶高溫合金切屑去除機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究

高 奇 郭光巖 靳 潑

(遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

單晶高溫合金材料制造的微型結(jié)構(gòu)/零件結(jié)合了微型特征和高溫合金材料的耐高溫性能，被廣泛應(yīng)用于需要耐高溫的工作環(huán)境中[1]。單晶高溫合金材料的切削應(yīng)力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重[2]，材料的去除機(jī)理區(qū)別于多晶材料。切削產(chǎn)生的切屑及毛刺嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量，是典型的難加工材料[3]。目前，針對(duì)鋸齒切屑的研究主要基于絕熱剪切理論[4-5]。Kumanchik L M[6]在考慮齒面擺線運(yùn)動(dòng)、齒距不均勻的情況下，給出了銑削過程中切屑厚度的解析表達(dá)式。Li B[7]研究了AISI H13鋼硬銑削過程中鋸齒切屑的形成過程，AISI H13鋼硬銑削過程中鋸齒形切屑的形成機(jī)理主要是絕熱剪切伴隨周期性裂紋的形成，有利于切分程度的提高。殷繼花[8]分析了航空鋁合金高速銑削鋸齒形切屑的形成過程及機(jī)理，提出考慮剪切帶寬度變化的三階段鋸齒形切屑形成模型。倪陳兵[9]對(duì)超聲輔助銑削和普通銑削進(jìn)行對(duì)比研究，證明超聲銑削的切屑形態(tài)和力學(xué)信號(hào)具有獨(dú)立特征，質(zhì)量明顯改善。李陽等[10-11]進(jìn)行了刀具刃圓半徑對(duì)切屑的影響機(jī)理的分析和實(shí)驗(yàn)研究，得出切削速度是影響切屑形態(tài)和表面形貌的直接因素。

大多數(shù)學(xué)者的研究對(duì)象均為硬質(zhì)碳鋼和合金等多晶材料，對(duì)于單晶高溫合金的研究較少，基于材料去除機(jī)理的切屑形成過程未見報(bào)道。因此本文采用微銑削刀具對(duì)單晶鎳基高溫合金DD98進(jìn)行微銑削實(shí)驗(yàn)，觀察切屑形貌，揭示單晶材料切屑的去除機(jī)理，建立單晶材料的去除理論模型，對(duì)切屑鋸齒化程度的相關(guān)影響要素進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)為保證微銑削零件具有較好的質(zhì)量，微加工機(jī)床要求具有較高的轉(zhuǎn)速以獲得較大的切削速度，并且具有較高的定位精度和加工精度。本實(shí)驗(yàn)采用巨蟹JX-1A精密微加工機(jī)床，可根據(jù)不同需求實(shí)現(xiàn)微小特征的平面及復(fù)雜曲面的加工，如圖1所示。

(2)實(shí)驗(yàn)材料為中科院材料研究所研制的第二代單晶鎳基高溫合金DD98，通過ULTRA-PLUS 場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行合金組織觀察，如圖2所示。

(3)微銑削刀具采用M.A.Ford公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金立銑刀，直徑0.6 mm，刃長1.8 mm，總長38 mm，刀尖鈍圓半徑0.93 μm，無涂層。硬度達(dá)HRA 89～93，能耐850 ℃～1 000 ℃的高溫，可加工包括淬硬鋼在內(nèi)的多種材料。

2 微銑削切屑形態(tài)研究

單晶微細(xì)銑削機(jī)理區(qū)別于宏觀切削機(jī)理，產(chǎn)生了較大的變化，在形成切屑過程中產(chǎn)生的一些物理現(xiàn)象如刀具的磨損、切削力的突變、毛刺的形狀等問題，都同微切削過程有關(guān)，切屑的形成機(jī)理一直是微切削機(jī)理研究的重點(diǎn)之一。對(duì)于單晶高溫合金這類難加工材料能夠在高溫條件下保持較高的強(qiáng)度和硬度，在切削過程中，切削力大，切削溫度高，會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，較小的切屑不易產(chǎn)生大量的宏觀連續(xù)切屑。隨著切削速度的提高，剪切變形區(qū)越來越窄，形成集中剪切滑移，最終切除材料為節(jié)狀切屑。

2.1 單晶高溫合金材料微銑削切屑形態(tài)

采用硬質(zhì)合金刀具對(duì)單晶鎳基高溫合金DD98進(jìn)行微銑削，微切屑特征尺寸極小，不易拾取，因此將掃面電鏡觀察用的導(dǎo)電膠帶固定于被銑削工件旁，用于收集切屑。改變不同的進(jìn)給速度，以盡可能多的收集不同形態(tài)的切屑，選取有代表性的切屑進(jìn)行機(jī)理分析。如圖3所示，圖3a反映了微銑削過程中切屑的變形程度，微銑削切削參數(shù)小，當(dāng)進(jìn)給量小于刀具刃圓半徑時(shí)，刀具與工件摩擦產(chǎn)生劇烈的不均勻變形，犁耕與劃擦占主導(dǎo)地位，尚不能產(chǎn)生連續(xù)切屑，將圖3a左上角碎末切屑定義為擠出切屑，當(dāng)進(jìn)給量大于刃圓半徑時(shí)，被銑削工件材料的有效流動(dòng)應(yīng)力增大，隨著切削的進(jìn)行，使流動(dòng)應(yīng)力大于材料的斷裂強(qiáng)度，產(chǎn)生完整的連續(xù)的微觀節(jié)狀切屑。

其中切屑摩擦前刀面部分形成切屑內(nèi)表面，滑動(dòng)量小，相對(duì)光滑，外表面隆起產(chǎn)生每節(jié)梯形切屑狀，整體切屑表面呈鋸齒狀，如圖3b所示。根據(jù)切屑的形態(tài)將刀具端刃處切除的材料切屑定義為非自由端，刀具側(cè)刃切除的材料切屑定義為自由端，由圖3b可知，切屑的非自由端相對(duì)光滑，而自由端呈開裂狀。這是因?yàn)樵谒矔r(shí)的切削過程中，由于微銑削刀具的刃徑小，切屑的流動(dòng)速度小于刃徑的切削速度，切屑的非自由端受到底面表層的阻力抑制了毛邊的角度，未產(chǎn)生較大開裂。切屑受刀具前刀面的強(qiáng)烈摩擦作用，加之材料的低導(dǎo)熱性，切屑流動(dòng)受到阻力并趨向自由端流動(dòng)，較高的應(yīng)變速率造成了加工硬化，因此出現(xiàn)自由端的開裂毛邊現(xiàn)象。

單晶DD98化學(xué)活性高，刀尖處容易和切削材料發(fā)生反應(yīng)，已加工表面的彈性回復(fù)大，造成后刀面擠壓摩擦嚴(yán)重，因此對(duì)圖4a切屑內(nèi)表面進(jìn)行能譜分析，如圖4b所示，檢測元素化學(xué)成分如表1所示。

表1 能譜檢測點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

從微銑削切屑能譜圖檢測的元素成分看，在切屑表面多了9.96%的C，為硬質(zhì)合金刀具元素，證明發(fā)生了元素的擴(kuò)散磨損，使切屑產(chǎn)生了硬化作用，作為工件材料的主要元素Ni含量降低到52.19%，為刀具微刃切削工件的劃擦所致，在切屑表面清晰可見劃痕，為刀具顆粒摩擦所致。

2.2 單晶高溫合金切屑去除機(jī)理

根據(jù)微銑削單晶鎳基高溫合金DD98產(chǎn)生的圖3b所示切屑形態(tài)，建立如圖5所示的切屑形成理論示意圖。區(qū)別于宏觀切削，微銑削模式下的擴(kuò)展剪切帶是切屑底部非自由端不斷劃擦形成的曲線擴(kuò)展帶，當(dāng)切屑節(jié)完全形成后脫離未切削材料基體，進(jìn)而產(chǎn)生塑性失穩(wěn)。單晶高溫合金微細(xì)銑削產(chǎn)生的切屑為不連續(xù)鋸齒狀特征，這是由于銑削材料過程中，主剪切區(qū)發(fā)生熱性失穩(wěn)，即單晶高溫合金較差的導(dǎo)熱性造成局部升溫導(dǎo)致的熱軟化效應(yīng)超過了變形強(qiáng)化效應(yīng)而發(fā)生了絕熱剪切現(xiàn)象，同時(shí)微銑削條件下，刀具直徑小，切屑與刀具前刀面接觸長度短小，刀尖引起較大的應(yīng)力。隨著刃齒進(jìn)給，切屑節(jié)塊單元發(fā)生剪切滑移，材料受剪切應(yīng)力超過了材料的屈服極限，在剪切面上塑性失穩(wěn)，形成第一節(jié)切屑，并沿前刀面向上推進(jìn)，隨之產(chǎn)生第二節(jié)切屑，相鄰切屑在集中剪切帶上相對(duì)滑移，第一節(jié)切屑形成過程全部完成。滑移帶即是節(jié)狀單元連接處，隨即后續(xù)的切屑不斷推進(jìn)，切削力再次增大，造成循環(huán)的塑性失穩(wěn)，產(chǎn)生鋸齒形的集中剪切滑移切屑。

目前關(guān)于鋸齒形切屑更多的理論支持為考慮熱-力耦合作用的絕熱剪切理論，Komandrui R[12]是最早提出絕熱剪切理論的學(xué)者之一，并用此理論解釋高速切削過程產(chǎn)生的鋸齒形切屑現(xiàn)象。熱塑性失穩(wěn)解釋絕熱剪切，即塑性應(yīng)變硬化和絕熱溫升導(dǎo)致的熱軟化兩者之間的平衡消長，當(dāng)塑性應(yīng)變硬化超過絕熱溫升的熱軟化時(shí)，材料為穩(wěn)定的塑性變形階段，當(dāng)絕熱溫升的熱軟化作用超過塑性應(yīng)變硬化的時(shí)候進(jìn)入非穩(wěn)定塑性階段，也就是說絕熱剪切帶是熱軟化作用克服了應(yīng)變硬化作用而產(chǎn)生的。在熱力耦合作用下應(yīng)力開始時(shí)隨應(yīng)變線性增長，當(dāng)應(yīng)力到達(dá)一定值后，應(yīng)力達(dá)到最大，隨后應(yīng)力急速下降，發(fā)生剪切失穩(wěn)。考慮應(yīng)變、應(yīng)變率、和溫度的影響，單晶DD98熱粘性材料本構(gòu)方程在二維剪切情況符合下式。

(1)

通過熱-力耦合作用下的失穩(wěn)分析，當(dāng)發(fā)生絕熱剪切的臨界條件可表示為：

(2)

即有：

(3)

2.3 切屑鋸齒化程度分析

單晶DD98在微銑削過程中，工件處于高溫、大應(yīng)變下發(fā)生彈塑性變形，在較小的進(jìn)給參數(shù)條件下，被銑削的金屬材料在刀具的作用下變成切屑的時(shí)間非常短，被銑削的金屬層各處的應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度不均勻分布且梯度較大。通過相應(yīng)分析可知，微銑削切屑的鋸齒形內(nèi)部節(jié)狀單元狀態(tài)與切削速度緊密相關(guān)，設(shè)定加工參數(shù)為：刀具直徑0.6 mm，主軸轉(zhuǎn)速依次為12 000 r/min, 24 000 r/min, 36 000 r/min, 48 000 r/min, 60 000 r/min, 對(duì)應(yīng)切削速度依次為：377 mm/s, 754 mm/s, 1 130 mm/s, 1 508 mm/s,1 884 mm/s，進(jìn)給速度60 μm/s，銑削深度為10 μm，通過SEM觀察切屑形貌，如圖6所示。

由圖6a所示切削速度為377 mm/s時(shí)，切削速度較低，單晶DD98微銑削鋸齒形切屑并不明顯，擠壓痕較明顯，切屑狀態(tài)不連續(xù)，當(dāng)切削速度高于754 mm/s時(shí)，如圖6b所示鋸齒形切屑特征開始顯現(xiàn)，鋸齒的密集化程度較大，隨著切削速度的繼續(xù)增大，單晶DD98微銑削鋸齒形切屑內(nèi)節(jié)狀單元寬度減小，鋸齒產(chǎn)生的頻率隨著切削速度的增大而升高，如圖6d所示每個(gè)切屑內(nèi)部的節(jié)狀單元基本保持一定的大小。原因?yàn)榍邢魉俣鹊奶岣邔?dǎo)致工件材料的應(yīng)變率增加，切削溫度升高，導(dǎo)致的熱軟化效應(yīng)降低了DD98材料的脆性，使工件材料更易產(chǎn)生絕熱剪切變形。在這里發(fā)現(xiàn)，微銑削單晶高溫合金材料在低于宏觀的高速切削速度條件下也產(chǎn)生了絕熱剪切變形，即微銑削條件下較大的應(yīng)變率和切削熱導(dǎo)致了鋸齒形貌切屑的產(chǎn)生。

3 結(jié)語

(1)獲得了微銑削單晶材料的切屑去除形態(tài)，當(dāng)進(jìn)給量大于刃圓半徑時(shí)，被銑削工件材料的有效流動(dòng)應(yīng)力增大，產(chǎn)生完整的連續(xù)的微觀節(jié)狀切屑。

(2)對(duì)微銑削后的切屑形貌進(jìn)行了SEM分析，在此基礎(chǔ)上建立了單晶材料的切屑去除理論模型。

(3)完成了單晶高溫合金的切屑鋸齒化程度分析，鋸齒產(chǎn)生的頻率隨著切削速度的增大而升高，微銑削單晶高溫合金材料在低于宏觀的高速切削速度條件下同樣產(chǎn)生了絕熱剪切變形。