基于鎳基合金車削粗糙度與金屬切除量研究

佟政陽，陳剛，陳冒風，李家萌

（安徽天航機電有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

高溫合金最早出現在美國，主要應用在航空發動機上，距現在已經有60多年的時間，高溫合金因種類繁多，具有優良的耐腐蝕、熱穩定等力學性能，廣泛應用于航空航天、精密制造等領域[1]。由于鎳基高溫合金GH4169的特殊性能，在零件加工過程中變得更加復雜，對刀具磨損嚴重，很難保證零件的表面粗糙度。

當前有很多國內外學者對GH4169的高速加工進行研究，對切削的刀具、切削液、切削應力、切削溫度及切屑進行了實驗研究。I. A. Choudhury等[2]主要從刀具的材料方面對GH4169進行切削實驗研究，對切削用量及切削力進行了系統的分析。E. O. Ezugwu等[3]運用神經網絡算法對不同的刀具建模，模擬切削液、切削三要素對鎳基高溫合金表面加工的影響。在國內，劉維偉等[4]對GH4169加工表面進行研究，對表面粗糙度、殘余應力及硬度進行實驗分析并推導出理論預測模型。梁作斌[5]對車削溫度及車削力進行仿真分析與實驗研究，通過對比驗證仿真的正確性。

本文先根據材料表面粗糙度的形成進行分析，運用正交試驗對GH4169材料進行高速切削實驗，測出材料的表面粗糙度，分析切削參數對表面粗糙度大小的影響，并建立表面粗糙度、金屬切除量與切削參數之間的預測模型，為后續的研究提供相關的實驗及理論參考。

1 零件表面粗糙度與金屬切除量形成

1.1 表面粗糙度

通過對車床工作原理的分析，在零件車削過程中，車刀切削刃相對于回轉體零件螺旋運動，零件表面有部分金屬未加工形成切屑，在零件表面形成了“殘留面積”。如圖1所示，它的理論高度值Rmax是由f、Kr、Kr′及刀尖圓弧半徑r等參數計算出：

圖1 殘留面積高度

式中，Rmax≤r，所以Rmax=f2/8r。

1.2 金屬切除量

在切削過程中，材料的金屬切除量是衡量加工零件精度的一個重要因素，與設備的精度、切削三要素、人員操作及外部環境等原因有關，現主要研究金屬切除量與切削三要素之間的關系。金屬切除量公式[6]為

2 正交實驗

2.1 實驗條件

本次實驗運用的實驗器材主要為：圓柱形高溫合金GH4169，型號為CXT510的車床，山特維克DNMG150608-SM-S05F刀具，MarSurf-SD-26粗糙度測量儀。圖2所示為零件的加工現場。如圖3所示，采用粗糙度測量儀測量零件的表面粗糙度。

圖2 零件的加工現場圖

圖3 粗糙度測量儀測量零件的表面粗糙度

2.2 實驗方案

對切削要素與零件特性進行分析，現設計出三因素四水平的正交試驗，對零件表面粗糙度進行研究，選用切削速度、背吃刀量、進給量作為本次實驗的3個要素，如表1所示。

表1 實驗因素水平表

2.3 正交實驗

運用正交實驗的原理，分為16次進行切削實驗，考慮到裝夾的需要，將實驗分為4組，每組零件的長度為50 mm進行切削實驗。為了減小測量誤差并保證實驗的準確性，每加工一組零件后更換一次刀具，再運用粗糙度測量儀對每組零件進行3次測量，然后取其平均值作為零件的表面粗糙度。由于設備精度等問題，在切削過程中理論切削深度與設備實際切削深度之間有誤差，運用數顯卡尺測量出實際的切削深度，計算出實際金屬切除量。表2為正交實驗所得到的零件表面粗糙度與金屬切除量的參數數值。

表2 正交實驗表

3 實驗結果分析

3.1 極差分析

通過正交實驗得到零件表面的粗糙度與金屬切除量參數數據，運用極差分析法可以判斷出各因素對高溫合金GH4169 零件表面粗糙度與金屬切除量影響的大小。從表3與圖4中可以分別得到：進給量對零件表面粗糙度影響最大，切削速度次之，背吃刀量影響最小；進給量對金屬切除量影響最大，背吃刀量次之，切削速度影響最小。

表3 表面粗糙度極差分析表

3.2 車削參數對粗糙度與金屬切除量的影響

不同的切削參數分別對零件表面粗糙度及金屬切除量產生不同的影響，圖4～圖6為切削參數對零件表面粗糙度的影響規律，圖7～圖9為切削參數對金屬切除量的影響規律。在本次實驗范圍內可以得到，表面粗糙度隨著進給量的增加而增大，增加進給量，單位時間內GH4169金屬表面的塑形變形增加，由于切屑的容留空間有限，而大量切屑從刀具的副切削刃排出，造成堵屑現象，導致零件表面的粗糙度增大。表面粗糙度隨著切削轉速的增加而減小，由于切削轉速增加，切削溫度升高，零件表面的摩擦因數降低，表面粗糙度降低。背吃刀量增加，零件表面的振動增大，使零件表面粗糙度隨之增大。金屬切除量隨著進給量與切削速度的增加而增大，切削速度對金屬切除量的影響成非線性關系，主要由于設備在加工過程中主軸的抖動及不穩定性等因素影響。

圖4 進給量對表面粗糙度的影響

圖5 切削速度對表面粗糙度的影響

圖6 背吃刀量對表面粗糙度的影響

圖7 進給量對金屬切除量的影響

圖8 切削速度對金屬切除量的影響

圖9 背吃刀量對金屬切除量的影響

3.3 方差分析

方差是分析正交實驗最基本、最重要的方法之一，主要是研究正交試驗中一些因素對變量是否產生顯著作用。根據方差公式計算可得到表面粗糙度與金屬切除量的方差值F0.01（3，6）=9.78，F0.05（3，6）=4.76。通過方差分析可知：進給量對表面粗糙度影響最顯著，可信度達到99%；進給速度影響次之，可信度達到95%；背吃刀量對表面粗糙度影響不顯著；進給量與背吃刀量對金屬切除量的影響最為顯著，可信度達到99%，進給速度對金屬切除量的影響不顯著。

3.4 模型建立

通過實驗可知，在鎳基高溫合金GH4169的高速切削過程中，切削三要素與表面粗糙度有相互約束的關系，采用正交回歸統計法對切削速度、進給量、背吃刀量與表面粗糙度建立一定的預測模型[7]：

表5 表面粗糙度方差分析表

表6 金屬切除量方差分析表

對表面粗糙度與金屬切除量的預測模型進行檢驗，兩個模型的相關系數R2分別為0.9560和0.9951，可得到預測模型可信。

4 結論

通過對GH4169鎳基合金車削的表面粗糙度與金屬切除量研究可得出如下結論：1）運用正交實驗，對鎳基高溫合金GH4169進行高速切削實驗，測量出零件表面的粗糙度與金屬切除量。2）運用極差與方差分別判斷出進給量對零件表面粗糙度的影響最為顯著，切削速度次之，背吃刀量的影響最小。進給量與背吃刀量對金屬切除量的影響最為顯著，切削速度的影響最小。3）分析車削三要素對零件表面粗糙度與金屬切除量的影響規律，分析其原因，并預測出其模型，為后續的研究奠定了基礎。