李景賀， 陶廣福， 趙燦， 奚望

（1.黑龍江科技大學 機械工程學院，哈爾濱150020；2.桂林航天工業(yè)學院 能源與建筑環(huán)境學院，廣西 桂林541004；3.江蘇威爾五金股份有限公司，江蘇 鹽城224200）

0 引 言

隨著第四次工業(yè)革命的到來，我國正快速步入智能化、信息化、高度自動化的先進制造時代，需要高精技術(shù)支撐的航空航天領(lǐng)域內(nèi)的制造業(yè)對于基礎(chǔ)制造技術(shù)的要求也愈發(fā)嚴格。陶瓷刀具以其優(yōu)異的高硬度、耐熱性、耐磨性和化學穩(wěn)定性，在高速切削難加工材料方面顯示了極大的優(yōu)勢[1]。陶瓷刀具是眾多先進刀具的一種，因此在陶瓷刀具的應(yīng)用過程中，合理地選擇加工工藝參數(shù)具有重要的工程意義。針對陶瓷刀具在加工過程中的技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)、材料屬性、磨損機理等關(guān)鍵性能參數(shù)，眾多學者對陶瓷刀具的使用展開了卓有成效的研究[2-5]。在航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零部件成型技術(shù)的應(yīng)用過程中，鎳基高溫合金GH4169以其具備的優(yōu)異耐高溫性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的熱端部位中，如火箭發(fā)動機和航空噴氣發(fā)動機熱端部件等核心零件。針對鎳基高溫合金GH4169的加工性能及其在航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的材料性能，趙玉濤等[6]采用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察了一渦輪葉片的微觀組織，探討了不同影響因素對組織的影響。蔡明等[7]采用單因素試驗法探究了鎳基高溫合金的磨削表面工藝性能。靳盛哲等[8]為探究孔擠壓工藝在鎳基高溫合金的應(yīng)用，通過建立孔擠壓工藝的數(shù)值模擬方法，并通過試驗驗證方法的有效性，討論了芯棒材料、擠壓量和摩擦因數(shù)對周向殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。張文濤等[9]針對鎳基高溫合金GH4169加工效率低和切削刃磨損嚴重的問題，采用單因素試驗法仿真探討了切削用量對切削力和切削溫度的影響規(guī)律。高東強等[10]通過建立有限元模型并分析切屑形態(tài)、切削力，以及切屑鋸齒化程度和切削力曲線圖，優(yōu)化選取了合適的切削速度與切削深度。本文通過以工程現(xiàn)場常用的切削工藝參數(shù)為正交試驗的分析數(shù)據(jù)，以加工鎳基高溫合金GH4169后的表面形貌為研究對象，優(yōu)化選取了最佳工藝參數(shù)，并在建立表面形貌的數(shù)學模型基礎(chǔ)上進行了實驗驗證，具有重要的工程指導意義。

1 表面形貌的研究

對于航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵零件而言，其制造精度要求較高，表面質(zhì)量除包括工件表面粗糙度之外，還有工件的表面形貌等。本文所研究的鎳基高溫合金GH4169因被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工裝備、船舶制造業(yè)等尖端領(lǐng)域，故對零件的加工精度要求較高，因此針對鎳基高溫合金GH4169銑削加工得到的表面形貌進行試驗研究具有重要的工程意義。

零件的表面形貌是指在加工過程中，刀具相對于工件表面運動，并在完成加工任務(wù)后，在工件表面留下刀具路徑的軌跡，是用來表征工件質(zhì)量的指標。針對普通機床而言，工件表面形貌的優(yōu)劣主要取決于切削用量的選取和刀具幾何參數(shù)的設(shè)定。而對于高速銑削加工而言，工件的表面形貌除取決于銑削參數(shù)的選取和刀具幾何參數(shù)的設(shè)定之外，還與刀具的振動、磨損、機床的剛度等因素有關(guān)。

2 表面形貌紋理理論分析

對于銑削加工，工件表面存在縱向殘留高度和橫向殘留高度，所謂縱向殘留高度是指銑刀沿Y軸（笛卡爾坐標系確定法則確定）進給方向移動，在加工表面留下的凸起與銑削寬度的移動方向一致；而橫向殘留高度是指銑刀沿進給方向移動，在加工表面留下的銑刀紋路。銑削表面紋理如圖1所示。

由圖1(a)可知，在銑削加工中，縱向殘留高度連續(xù)出現(xiàn)，并與刀具軌道路徑一致，表面紋理較為明顯；圖1（b）中，橫向殘留高度的產(chǎn)生是斷續(xù)的一段弧線，其間隔與進給速度有關(guān)，形成方向與進給方向一致，由于在銑削過程中，進給量遠小于銑削寬度，故橫向表面紋理較縱向紋理不甚明顯，因此在對橫向紋理進行觀測研究時，需借助放大設(shè)備。加工后的工件在縱向紋理和進給紋理的共同作用下，最終形成各種各樣的表面形貌，如圖2所示。圖2中:Hc表示橫向殘留高度之間的間距;Hz表示縱向殘留高度之間的間距;h表示銑削結(jié)束后工件表面的殘留高度。

圖1 銑削表面紋理

圖2 表面形貌示意圖

3 表面形貌銑削試驗

3.1 試驗材料

本文所采用的航空難加工材料GH4169為典型的鎳基高溫合金材料，是目前生產(chǎn)量最大的高溫合金。GH4169的鎳含量高達50%～55%，其余主要元素有Fe、Cr、Nb等，其化學成分如表1所示。

表1 GH4169化學成分質(zhì)量分數(shù) %

GH4169是以體心立方Ni3Nb（γ"）和面心立方Ni3(Al、Ti、Nb)（γ′）強化的鎳基高溫合金。其中γ"相數(shù)量最多，是合金的主要強化相。在中溫700 ℃以下具有高的屈服強度、拉伸強度和持久強度，同時具有良好的成形性和焊接性，其物理力學性能如表2所示。

表2 GH4169物理力學性能

3.2 實驗條件

實驗用陶瓷刀具銑削機床為漢川XH714D立式加工中心，主軸轉(zhuǎn)速范圍為60～8000 r/min，X/Y軸快速移動速度為20 000 mm/min，Z軸快速移動速度為15 000 mm/min，X/Y/Z軸進給速度為：5～5000 mm/min。試驗觀測設(shè)備采用VHX-1000超景深三維顯微鏡，如圖3所示。

圖3 VHX-1000超景深三維顯微鏡

3.3 正交實驗參數(shù)設(shè)定

正交實驗的參數(shù)設(shè)定如表3所示。

表3 銑削參數(shù)

3.4 試驗結(jié)果分析

通過正交實驗借助VHX-1000超景深三維顯微鏡觀測已加工工件的表面橫向殘留高度紋理，并測量各組參數(shù)下，橫向紋理之間波峰和波峰之間的間距，記錄于表面形貌正交實驗結(jié)果表中，如表4所示。

對于表面形貌，縱向殘留高度間距和橫向殘留高度間距越小，表面紋理越密集，工件裝配時越牢靠，抗磨損能力越強。該實驗中銑削寬度ae=10 mm保持不變，故縱向殘留高度的間距一致，則已加工工件的表面紋理主要與橫向殘留高度的間距有關(guān)。表4中只記錄橫向殘留高度間距的值，故在該實驗條件下，橫向殘留高度間距Hc越小，被測加工工件的表面紋理越密集。

表4 表面形貌正交實驗結(jié)果

為觀測影響橫向殘留高度間距各因素間的主次關(guān)系，文章利用極差分析法，直觀找出各銑削參數(shù)對表面形貌影響的主次，表面形貌極差分析如表5所示。

表5中:k1為各因素第一水平橫向殘留高度間距平均值；k2表示各因素第二水平橫向殘留高度間距平均值；k3表示各因素第三水平橫向殘留高度間距平均值；k4表示各因素第四水平橫向殘留高度間距平均值；R為橫向殘留高度間距極差值。

由表5可知，各工藝參數(shù)的極差大小關(guān)系為Rfz>Rap>Rv，故對表面形貌的影響大小順序為：每齒進給量fz、銑削深度ap、銑削速度v。為獲取較好的表面形貌，各因素水平平均橫向殘留高度間距應(yīng)盡可能小，故每齒進給量fz取第一水平，銑削深度ap取第一水平，銑削速度v取第二水平。故獲得較好表面形貌的最佳參數(shù)組合是v2ap1fz1，同表5 中的結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)v1ap1fz1參數(shù)組合與理論上最佳參數(shù)組合最為接近。工藝參數(shù)下的實際表面紋理如圖4 所示（以第一組為例）。

表5 表面形貌極差分析

圖4 放大300倍率下第一組表面紋理圖

4 表面形貌橫向紋理的形成建模

針對試驗中，表面形貌形成機理建立冪指數(shù)的數(shù)學回歸模型，如下式：

式中：Hc為橫向殘留高度間距；Kc為除主要銑削參數(shù)外，與材料性質(zhì)、銑削條件相關(guān)的修正系數(shù)；h1、h2、h3為銑削參數(shù)的各個影響因子系數(shù)。

式（1）等式左右兩邊同時取對數(shù)，可以得到如下線性關(guān)系式：令lg Hc=Y，lg Kc=A，lg v=x1，lg ap=x2，lg fz=x3，式（2）可簡化為

由表4可知，各參數(shù)組合對應(yīng)的橫向殘留高度間距值均已測出，但并非所有參數(shù)均可靠。試驗中，因存在變換刀具刀面、刀具刃口磨損、工件表面被飛屑刮傷等現(xiàn)象，致使測量結(jié)果偏高。因此，為獲取準確可靠的表面形貌橫向紋理經(jīng)驗公式，需要剔除一些參數(shù)組合，參數(shù)擬合數(shù)據(jù)點的表面形貌誤差分析如表6所示。

表6 表面形貌誤差分析

對表6中各參數(shù)求解，可得各組參數(shù)對應(yīng)的Y、x1、x2、x3值。將此數(shù)值進行多元線性回歸擬合，得到式（3）中未知參數(shù)A、h1、h2、h3值。即A=0.1932，h1=1.2488，h2=-0.7421，h3=1.1073，對A求反對數(shù)得Kc=1.5603。將此數(shù)值代入式（1）中，得：

通過將每組實驗參數(shù)代入式（4），對得到的經(jīng)驗公式進行誤差分析?？傻玫矫拷M參數(shù)下橫向殘留高度間距Hc的理論值，并根據(jù)相對誤差的計算法則，求得每組參數(shù)下橫向殘留高度間距的相對誤差。以表5中第一組參數(shù)為例，其相對誤差計算方法如下：

式中：ε為相對誤差；Hce為橫向殘留高度間距實驗值；Hct為橫向殘留高度間距理論值。

同理，可得每組參數(shù)對應(yīng)的橫向殘留高度間距的相對誤差，其值分別為9%、2%、2%、13%、1%、21%、18%、10%、3%、8%、7%、5%，其平均相對誤差值為8%。

由于在實際加工過程中，影響表面形貌的因素較多，如機床振動、實驗溫度、銑削過程中過熱切屑的不規(guī)則運動、銑削參數(shù)間的相互作用等，故就結(jié)果而言，表面形貌橫向紋理模型計算所得理論值與實驗值基本一致。證明文中表面相貌橫向紋理模型是可靠的。

5 結(jié) 論

1）本文以陶瓷刀具銑削航空難加工材料鎳基高溫合金GH4169時獲取的加工表面形貌為研究對象，以工程現(xiàn)場常用銑削參數(shù)為正交實驗分析數(shù)據(jù)，對比分析了各組工藝參數(shù)下的工件表面形貌，優(yōu)選出獲取最佳表面形貌時的切削工藝參數(shù)。即在第一組參數(shù)組合下，所測得的表面形貌橫向紋理間距值較小，故應(yīng)選用的銑削參數(shù)為銑削速度v為300 m/min，銑削深度ap為1.5 mm，每齒進給量fz為0.05 mm/z，此時所得的表面形貌橫向紋理間距Hc為47.72 μm。

2）基于正交實驗所得的數(shù)據(jù)，進行表面形貌橫向紋理數(shù)學模型的建立。由于銑削過程中，表面形貌橫向紋理的影響因素較為復雜，故建立復指數(shù)模型來描述表面形貌橫向紋理。通過對實驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸擬合，得到相關(guān)影響系數(shù)，從而建立了表面形貌橫向紋理數(shù)學模型。通過誤差分析，計算各組數(shù)據(jù)對應(yīng)的相對誤差，進而求得表面形貌橫向紋理間距的平均相對誤差，各表面形貌橫向紋理間距的實驗值與理論推導值的平均相對誤差為8%，證實了表面形貌橫向紋理模型的可靠性。