刀具磨損對Allvac 718Plus高溫合金銑削加工表面完整性及疲勞性能的影響

勾睿杰 張曉峰 張鴻濱 姚 俊 李 勛

1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院,北京,100191 2.中國科學院工程熱物理研究所,北京,100190 3.中國科學院大學航空宇航學院,北京,100190

0 引言

Inconel 718是航空領域內制造航空發動機關鍵零部件的典型鎳基高溫合金。當溫度超過650 ℃時,合金中的主要強化相γ″將會快速發生過時效,轉變成穩定的δ相,導致材料力學性能下降[1],在更高溫度的工作環境中,應用Inconel 718合金的局限性開始增大[2]。為了滿足航空航天工業零部件工作溫度不斷提高的要求,CAO等[3]對Inconel 718合金的化學成分進行了改進,研發了Allvac 718Plus合金,該合金能夠在704 ℃下保持良好的力學性能,與Inconel 718相比具有更好的熱穩定性。目前,Allvac 718Plus合金已被逐步應用于制造航空發動機渦輪盤、葉片等關鍵部件。

大量研究結果表明,改善表面加工質量能夠有效地提高構件的性能和服役壽命[4-6]。作為加工制造航空發動機整體葉盤等航空零部件的重要潛在材料,高溫合金Allvac 718Plus具有良好的高溫機械性能,與Inconel 718合金相比,Allvac 718Plus合金的耐高溫性能更好,抗拉強度更高,但切削加工性能更差,刀具磨損速度也將加快。而隨著刀具的磨損,零件的表面加工質量和一致性會受到顯著影響[7-9],因此,研究銑削刀具磨損對高溫合金Allvac 718Plus表面完整性以及疲勞壽命的影響具有重要的應用價值。

目前,國內外在高溫合金的切削加工表面完整性以及刀具磨損對加工性能的影響方面已開展了大量研究。THAKUR等[10]應用硬質合金刀具對Inconel 718合金銑削加工表面完整性影響規律進行了研究,分析了加工參數對刀具磨損的影響。LI等[11]詳細研究了加工參數、刀具及冷卻條件等對Inconel 718合金銑削加工表面完整性的影響,觀測了刀具磨損的三個不同階段,并分析了刀具的主要磨損類型。ALTIN等[12]研究了不同形狀的陶瓷刀具切削加工Inconel 718合金時的磨損形態,并分析了切削速度對刀具壽命的影響。MUSFIRAH等[13]對比了低溫冷卻和干式切削對Inconel 718合金銑削加工表面完整性及刀具磨損的影響,結果表明低溫冷卻可以有效改善表面加工質量,延長刀具壽命。LIANG等[14]總結了刀具磨損對Inconel 718合金切削加工表面完整性的影響規律。

相關研究表明[15-16],使用硬質合金刀具銑削加工高溫合金過程中,刀具磨損機理主要是黏結磨損、磨粒磨損,同時有少量的擴散磨損和氧化磨損,相應會造成刀具切削部位有崩刃、裂紋以及剝落的現象產生,一般在刀具后刀面磨損量達到0.3 mm時,刀具壽命就達到了極限[13]。刀具磨損大多被認為會使加工表面粗糙度增大,同時會加劇表面硬化程度,增大加工表面殘余應力,刀具磨損量過大時還會使加工表面產生裂紋等缺陷[17-18]。

現階段針關于Allvac 718Plus高溫合金的研究大多是針對材料的機械性能及其熱穩定性開展的[19-20],有關材料機械加工性能和表面質量方面的研究報道較少,加工工藝和條件的選擇只能參考Inconel 718等類似的鎳基合金。

本文主要研究刀具磨損對Allvac 718Plus高溫合金銑削加工表面完整性與疲勞壽命的影響,測量了不同加工參數下刀具的使用壽命,基于銑削刀具后刀面不同的磨損量進行了表面完整性與疲勞試驗,分析了刀具磨損量對試件加工表面完整性指標與疲勞壽命的影響,并得到了高溫合金Allvac 718Plus銑削加工刀具磨損量的控制標準,可為其抗疲勞加工制造提供重要參考數據。

1 試驗條件

試驗材料為高溫合金Allvac 718Plus,該材料的化學成分與力學性能分別如表1和表2所示。

表1 Allvac 718Plus合金化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of Allvac 718Plus alloy(mass fraction) %

表2 Allvac 718Plus合金力學性能Tab.2 Mechanics properties of Allvac 718Plus alloy

1.1 加工設備及方案

銑削加工設備為四軸數控加工中心,采用巴索Blaser全合成冷卻液。試驗刀具使用株洲鉆石硬質合金涂層立銑刀(HMX-4R),刀具具體參數如下:直徑8 mm,刀尖圓弧半徑0.5 mm,螺旋角55°,刃長25 mm,總長75 mm,刀刃數為4,涂層材料為AlTiN。

試驗采用側銑、順銑方式對試塊(尺寸為35 mm×8 mm×5 mm)與疲勞試件進行加工,如圖1所示,后續試驗加工均采用相同加工條件。

圖1 刀具及試塊銑削加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of milling tool and specimens

1.2 刀具磨損測量方案

采用Dino-Lite手持式數碼顯微鏡作為刀具磨損量的測量設備,放大倍數設定為150倍。進行表面完整性與疲勞壽命試驗前,在固定軸向切深ap(取ap=4 mm)、徑向切寬ae(取ae=1 mm)的條件下,測試了不同切削速度vs和進給速度vf下刀具后刀面平均磨損量達到臨界值時的時間(刀具壽命),結果如圖2所示。

圖2 不同參數下刀具壽命曲線Fig.2 Tool life curve under different parameters

不同切削參數下,銑削刀具磨損曲線均可以觀察到明顯的初期磨損階段(后刀面磨損量VB<0.05 mm)、正常磨損階段(VB為0.05～0.20 mm)以及劇烈磨損階段(VB為0.2～0.3 mm)。刀具的磨損速度會隨著切削速度vs和進給速度vf的增大而增大,導致刀具壽命縮短,但vs和vf的增大會提高材料的加工效率。

采用手持顯微鏡對銑刀的后刀面磨損進行觀察,如圖3所示,當刀具后刀面平均磨損量達到0.2 mm時,刀具磨損帶已極不均勻,有出現輕微的崩刃現象,同時結合刀具壽命曲線可以發現,刀具壽命95%以上集中在磨損量VB<0.2 mm的區間,在0.2～0.3 mm的區間內,刀具急速磨損,因此,為保證試件表面加工質量,在進行后續試驗時,刀具磨損量VB都控制在0～0.2 mm范圍內。

(a)VB=0.05 mm (b)VB=0.10 mm

2 基于刀具磨損的銑削表面完整性試驗

2.1 試驗加工方案

分別采用不同磨損狀態下的刀具(后刀面磨損量VB分別為0.05,0.10,0.15,0.20 mm)對試件進行銑削加工。根據銑削參數對刀具磨損量的影響規律和Allvac 718Plus典型整體葉盤零件的精加工需求,采用加工參數vs=25 m/min、vf=120 mm/min、ae=0.3 mm、ap=0.2 mm對試塊及疲勞試件進行精加工,研究刀具后刀面磨損量對試件表面完整性指標以及疲勞性能的影響規律。

2.2 表面完整性指標測試方案

采用TIME-3220接觸式粗糙度測量儀對銑削表面進行測量,將測量參數設定為:取樣長度0.8 mm,測量長度5.6 mm,評定長度4 mm。表面粗糙度測量的方向為平行于銑削加工進給方向,實際測量時取粗糙度值Ra和Rz,10次測量后取平均值并作為最終結果;表面微觀形貌使用基恩士VHX-6000超景深顯微鏡進行觀察;表面顯微硬度使用維氏顯微硬度計FM-800測量,測量參數為:加載載荷1.96 N(200 g),載荷保持10 s;表面殘余應力采用Auto MATE II型X射線應力儀進行檢測。

2.3 表面完整性試驗結果及分析

刀具磨損條件下銑削試件的各項表面完整性指標測試結果如表3所示,結合測試結果對各指標進行分析。

表3 表面完整性試驗測試結果Tab.3 Surface integrity test results

2.3.1表面粗糙度

加工表面粗糙度隨刀具磨損量的變化規律如圖4所示,可以看出,在刀具后刀面磨損量VB值達到0.1 mm之前,試件加工表面粗糙度沒有發生明顯變化,Ra值保持在0.15 μm左右,Rz值保持在0.7 μm左右,當VB值達到0.15～0.20 mm時,表面粗糙度值Ra和Rz均有明顯增大,分別達到了0.228 μm和1.198 μm,隨著刀具磨損量的增加,二者整體均呈現出先略微減小后增大的趨勢。

圖4 刀具磨損對表面粗糙度的影響Fig.4 Influence of tool wear on surface roughness

使用超景深顯微鏡觀測試件加工表面形貌,如圖5所示,以進一步分析刀具磨損量變化對加工表面粗糙度的影響。由圖5可以看出,在刀具正常磨損階段(VB為0.10～0.15 mm),表面粗糙度較小,加工表面整體較為平整,僅在個別位置出現細小毛刺與溝槽;VB值增大至0.2 mm后,加工表面與刀具后刀面的接觸面積增大,兩者間的擠壓、刮擦作用增強,加工表面溝槽加深,毛刺增多,表面粗糙度也明顯增大。

(a)VB=0.10 mm (b)VB=0.20 mm圖5 不同磨損量刀具加工后的試件表面形貌Fig.5 Surface morphology of specimens machined by tools with different wear amounts

2.3.2表面顯微硬度

刀具磨損量對加工表面顯微硬度的影響如圖6所示,可以看出,隨著磨損量的增大,表面顯微硬度呈現先增大后減小的趨勢,刀具磨損量VB為0.15 mm時,表面顯微硬度達到最大值528.26HV。當刀具磨損量增大時,刀刃逐漸喪失鋒利的幾何外形,刀尖鈍圓半徑也將增大,加工表面與刀具間的擠壓作用不斷增強,加劇了表面層塑性變形程度,產生了表面強化現象,提高了表面顯微硬度。但另一方面,刀具磨損量的增加也將導致刀具、工件和切屑間的摩擦更加劇烈,切削溫度升高會使材料表面發生軟化。在刀具正常磨損階段(VB為0～0.15 mm),機械效應產生的表面強化作用較強,從而提高了試件表面顯微硬度;而在刀具磨損量高于0.15 mm時,機械效應的強化作用不斷減弱,熱效應的軟化作用不斷增強,表面顯微硬度逐漸下降。

圖6 刀具磨損對表面顯微硬度和表面硬化率的影響Fig.6 Effect of tool wear on surface microhardness and surface hardening rate

由圖6還可知,銑削加工后Allvac 718Plus合金表面硬化率為10.62%～15.55%;對比銑削加工高溫合金Inconel 718的試驗結果,在近似的加工參數下,試件表面硬化率為13.3%～24.0%[21]。上述兩種材料在室溫下的基體硬度基本相同,但Allvac 718Plus合金的加工硬化程度相對較小。

2.3.3表面殘余應力

刀具磨損量對表面殘余應力的影響如圖7所示,可以看出,當刀具磨損量VB值由0增大至0.2 mm時,表面殘余應力均表現為壓應力,殘余壓應力呈現出先增大后減小的趨勢。刀具磨損量為0.05 mm時,殘余壓應力達到最大值259.5 MPa,刀具磨損量為0.2 mm時,殘余應力近乎為零,并有向殘余拉應力轉變的趨勢。

圖7 刀具磨損量對表面殘余應力的影響Fig.7 Influence of tool wear on surface residual stress

與表面顯微硬度的變化規律類似,熱效應使材料表面軟化,進而減小殘余壓應力,機械效應則與之相反。刀具磨損量增大時,熱效應的增強趨勢逐漸超過機械效應的增強趨勢,因此試件表面殘余壓應力會先增大后減小。

本文中,Allvac 718Plus合金經銑削加工后的殘余壓應力水平為5.6～259.5 MPa;而在相近參數下Inconel 718合金銑削加工后的殘余壓應力水平為106.8～307.8 MPa[21]。這說明與Inconel 718合金相比,Allvac 718Plus合金銑削加工后的塑性變形程度較小。

3 銑削試件疲勞性能測試試驗

3.1 試驗銑削加工方案

銑削加工設備及刀具與表面完整性試驗保持一致,分別采用不同后刀面磨損量的銑刀加工疲勞試件,磨損量的梯度設置不變。參考抗疲勞設計手冊以及航空工業行業標準,設計疲勞試件為類圓棒試件(截面為正六十邊形),如圖8所示(圖中試件截面為簡化圖),正六十邊形鄰邊夾角為174°,趨近于圓形,減小了加工邊緣毛刺和棱邊應力集中對試件疲勞性能產生的額外影響[22-23],從而可提高試驗的穩定性和可靠性。

圖8 疲勞試件的銑削工藝方案Fig.8 Milling technology scheme of fatigue specimens

3.2 疲勞試驗設備與方案

疲勞壽命試驗設備選用型號為GPS-100型高頻數字化拉壓疲勞試驗機,如圖9所示,設備相關參數如表4所示。

表4 疲勞試驗機工作參數Tab..4 Working parameters of fatigue testing machine

試驗研究Allvac 718Plus材料室溫下的疲勞性能,疲勞試件測試區直徑為4 mm,疲勞載荷加載數據設定為:最大應力σmax= 1060 MPa,應力比r=0.1,載荷頻率f=115±1 Hz。試驗過程中為保證結果的穩定性與可靠性,每組參數均進行5次疲勞壽命測試試驗,取其平均值作為最終試驗結果。

3.3 疲勞壽命測試結果

刀具磨損量對試件疲勞壽命的影響如圖10所示,隨著刀具磨損量的增大,疲勞壽命呈現出先增大后減小的趨勢。

圖10 刀具磨損對試件疲勞壽命的影響Fig.10 Influence of tool wear on fatigue life of specimens

結合圖4、圖6、圖7和圖10可知,刀具磨損量VB由0增大到0.05 mm時,試件疲勞壽命由3.62×105上升至4.8×105,這個過程中伴隨著表面粗糙度減小、表面顯微硬度提高和表面殘余壓應力增大,這三項表面完整性指標的變化對延長試件疲勞壽命均具有積極的影響;當刀具磨損量由0.05 mm增大至0.1 mm時,試件表面完整性指標與疲勞壽命沒有明顯變化;當刀具磨損量由0.1 mm增大至0.15 mm時,表面粗糙度略微增大,表面顯微硬度達到最大值528.26HV,表面殘余壓應力由259.5 MPa急劇下降至90 MPa,而疲勞壽命也由4.8×105急劇下降至2.73×105,由此可見,在刀具磨損的狀態下,表面殘余應力是影響試件疲勞壽命的主要因素。當刀具磨損量達到0.2 mm時,試件疲勞壽命下降至1.48×105,與刀具未磨損狀態下的試件疲勞壽命相比,下降幅度超過了50%。

4 結論

本文研究了刀具磨損對Allvac 718Plus高溫合金加工表面完整性及疲勞壽命的影響,為研究Allvac 718Plus合金切削加工性能、控制精銑加工時的刀具磨損量提供了試驗數據參考,并得到以下結論:

(1)Allvac 718Plus高溫合金對刀具的磨損較為敏感,當刀具后刀面磨損量為0.2 mm時,刀具就達到急劇磨損狀態。與高溫合金Inconel 718相比,由于Allvac 718Plus合金高溫下的熱穩定性更強,在加工過程中材料受切削熱的影響較小,因此Allvac 718Plus試件加工后表面硬化程度更小,殘余壓應力水平更低,表面層的塑性變形程度也相對較小。

(2)當刀具磨損量在0～0.15 mm時,隨著刀具磨損量的增加,試件表面粗糙度先減小后增大,表面顯微硬度先增大后減小,加工表面殘余壓應力先增大后減小,當刀具磨損量超過0.15 mm時,試件表面完整性各項指標均發生了急劇變化,加工表面質量大幅降低。

(3)當刀具磨損量在0.05～0.10 mm范圍時,試件的疲勞壽命最長;當刀具磨損量為0和0.15 mm時,試件的疲勞壽命分別大約降低至最大值的75%和57%;當刀具磨損量超過0.15 mm時,試件疲勞壽命急劇降低。且試件疲勞壽命隨刀具磨損量的變化規律與加工表面殘余應力的變化規律一致,說明在此范圍內,加工表面殘余應力是影響試件疲勞壽命的主導因素。

(4)在刀具正常磨損階段,刀具的磨損加劇了Allvac 718Plus試件加工表面的塑性變形,增大了加工表面殘余應力,進而對延長試件的疲勞壽命具有積極影響。在Allvac 718Plus試件的精銑階段,為保證試件的加工表面質量和疲勞壽命,應將刀具的后刀面磨損值控制在0.15 mm以內。