康 寧，孫劍飛，2，黃 順

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.北京市高效綠色數(shù)控加工工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100191）

1 引言

鎳基高溫合金是以鎳為基體（含量一般大于50%）、在（650～1000）℃范圍內(nèi)具備高強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗腐蝕能力的高溫合金［1］，主要用于制造航空航天領(lǐng)域高溫條件下工作的結(jié)構(gòu)部件如發(fā)動機(jī)的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等。然而，鎳基高溫合金切削加工過程中存在著切削力大，切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重等一系列難點(diǎn)，是典型的難加工材料之一。

航空技術(shù)的進(jìn)步離不開航空材料的發(fā)展。高溫合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面：合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的革新［2］。隨著使用溫度和強(qiáng)度的提高，高溫合金的合金化程度越來越高，早期變形鎳基高溫合金的熱加工成形越來越困難，同時(shí)，航空發(fā)動機(jī)葉片內(nèi)部復(fù)雜型腔也只能采用精密鑄造工藝生產(chǎn)，因此，鑄造鎳基高溫合金的應(yīng)用逐漸廣泛。

以GH4169為代表的變形鎳基高溫合金切削過程中的切削力、切削溫度、表面質(zhì)量及刀具磨損得到了深入細(xì)致的研究［3-7］，而對鑄造鎳基高溫合金的研究主要集中在鑄造工藝、合金元素等對微觀組織、疲勞壽命、力學(xué)性能的影響等方面，對其切削加工性能研究較少。文獻(xiàn)［8］研究了涂層硬質(zhì)合金刀具和晶須增韌陶瓷刀具高速車削（硬質(zhì)合金刀具vc=68m/min，陶瓷刀具vc=250m/min）K4169時(shí)的刀具磨損，指出涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損主要是刀尖磨損和后刀面磨損，而陶瓷刀具的主要磨損形式為溝槽磨損和微崩刃。文獻(xiàn)［9］系統(tǒng)研究了K24合金銑削過程中的切削力、表面完整性及刀具磨損，指出K24加工時(shí)切削力及消耗功率約為45鋼的2.28倍，加工后表面粗糙度為Ra（0.4～0.9），切削過程伴隨嚴(yán)重的刀具磨損，主要磨損形式為刀尖、后刀面及主切削刃磨損。文獻(xiàn)［10］對鑄造鎳基高溫合金K418切削過程中切削參數(shù)及刀具角度對刀具壽命的影響進(jìn)行了研究，確定了切削參數(shù)和刀具角度的最佳組合。

綜上所述，同變形鎳基高溫合金類似，鑄造鎳基高溫合金加工過程中同樣存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重等問題。以GH4169和K4169為代表的兩種鎳基高溫合金雖然成分相同，但分屬于變形鎳基高溫合金和鑄造鎳基高溫合金，具有不同的成型工藝和熱處理狀態(tài)，不同的成型工藝及熱處理狀態(tài)必然導(dǎo)致兩種鎳基高溫合金切削加工性能存在差異。研究兩種材料切削加工性能差異，對于解讀成型工藝和熱處理狀態(tài)對鎳基高溫合金材料切削加工性能的影響并針對鎳基高溫合金材料差異精確設(shè)置切削加工工藝有重要意義。

2 試驗(yàn)材料、條件及方法

2.1 試驗(yàn)材料

GH4169是γ″相（體心立方）和γ'相（面心立方）沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在（-253～700）℃的溫度范圍內(nèi)擁有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形鎳基高溫合金首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能及良好的加工性能、焊接性能，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在宇航、核能石油工業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。

表1 GH4169物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and Mechanical Properties of GH4169

K4169相當(dāng)于美國牌號Inconel 718 C，是γ″相為主要強(qiáng)化相，γ'相為輔助強(qiáng)化相的沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，該合金是在變形鎳基高溫合金的基礎(chǔ)上發(fā)展得到的鑄造鎳基高溫合金［11］。

表2 K4169物理力學(xué)性能Tab.2 Physical and Mechanical Properties of K4169

兩種材料經(jīng)金相制樣后在共聚焦顯微鏡下得到的顯微組織，如圖1所示?？梢钥闯鯣H6169顯微組織由多邊形奧氏體γ相晶粒組成，并有較多的孿晶存在，在晶界處分布著少量的C化物和δ相，因γ'、γ″相為納觀組織，且彌散分布在γ相內(nèi)，故在該圖無法看到。鑄態(tài)K4169在凝固過程中形成明顯的枝晶組織，并且在枝晶間形成呈黑色島狀的共晶組織（γ+Laves），同時(shí)晶間還存在塊狀C化物。

圖1 GH4169、K4169顯微組織和化學(xué)成分Fig.1 Microstructure and Chemical Composition of GH4169 &K4169

2.2 試驗(yàn)條件

車削試驗(yàn)裝置，如圖2所示。各組試驗(yàn)均在高精度靜壓主軸機(jī)床CGK6125A上進(jìn)行，使用京瓷SNGA120408/KW10非涂層硬質(zhì)合金刀片，基體成分WC+6%Co。刀柄為CSRNR2525M12方形刀柄。安裝后刀具的主偏角為75°，工作前角、工作后角和刃傾角分別為-6°、6°和-4°。試驗(yàn)以切削速度vc和進(jìn)給量f為變量，保持切削深度ap=0.5mm不變。為了保證刀具初始磨損狀態(tài)相同，每組試驗(yàn)均采用新的刀片進(jìn)行切削。試驗(yàn)測量了切削過程中的切削力及加工后工件表面的粗糙度，獲取了不同參數(shù)下的刀具失效形式及磨損狀態(tài)。

圖2 試驗(yàn)條件Fig.2 Experimental Condition

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用兩種材料試件均為尺寸Φ35×100mm 的棒料。為了探究GH4169與K4169切削性能的差異，需要測量車削過程中的切削力。試驗(yàn)所用測力儀為BSY-（X）FX應(yīng)變式測力儀，安裝在測力儀刀座上的刀柄將切削力信號傳遞給測力儀，經(jīng)由信號放大器、NI數(shù)據(jù)采集卡傳遞給PC終端，最后獲得三個(gè)方向（Fx—切深抗力，F(xiàn)y—進(jìn)給抗力，F(xiàn)z—主切削力）的切削力。測力系統(tǒng)的組成，如圖3所示。

圖3 測力系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of Cutting Force Measuring System

切削后工件表面的粗糙度由TIME3220粗糙度儀測得，取棒料上三處表面粗糙度的平均值作為粗糙度測量最終結(jié)果，選取Ra作為粗糙度的評定參數(shù)，粗糙度測量的取樣長度為0.8mm，評定長度為4mm。試驗(yàn)中的刀具磨損形貌及磨損量由Dino-Lite顯微鏡觀測。

3 結(jié)果與分析

3.1 切削力

切削力直接影響著切削溫度、刀具磨損及零件加工后的表面質(zhì)量［12］。切削力的大小一定程度上可以反映出材料加工性能的好壞。在不同切削速度下，切削GH4169和K4169時(shí)切削力隨進(jìn)給速度的變化情況，如圖4所示。

圖4 切削力F隨進(jìn)給量f變化Fig.4 Cutting Force Varies with Feed Rate

可以看出，在切削速度一定時(shí)，切削力隨進(jìn)給速度的增加而增大。同一組切削參數(shù)下，兩種材料的各向切削力差異并不明顯。切削速度較小時(shí)（vc=15m/min），進(jìn)給量相同時(shí)，切削K4169時(shí)的各向切削力均稍大于GH4169；隨著切削速度的增大（vc=30m/min），兩種材料的切削力極為接近；切削速度繼續(xù)提高（vc=45m/min），GH4169各向切削力均稍大于K4169，此時(shí)，隨進(jìn)給量的變化，K4169的各向切削力出現(xiàn)較大波動。從前述兩種材料的力學(xué)性能對比可以看出，同樣的環(huán)境溫度下，GH4169的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等均高于K4169，理論上在同組切削參數(shù)下切削時(shí)，GH4169 的切削力應(yīng)較大，事實(shí)上卻表現(xiàn)為：低速切削時(shí)K4169的切削力較大，切削速度較大時(shí)，GH4169的切削力較大。

如前所述，GH4160與K4169都是以γ相為基體的沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，由于熱處理及成型工藝存在差異，導(dǎo)致兩種材料主要強(qiáng)化相存在差別：GH4169 以γ'和γ″為主要強(qiáng)化相，而K4169的主要強(qiáng)化相為γ″。與γ'相不同的是，γ″相強(qiáng)化的主要特點(diǎn)是能使合金得到較高的屈服強(qiáng)度，但是γ″是亞穩(wěn)定的過渡相，在高溫的作用下易發(fā)生金相組織轉(zhuǎn)變形成δ相，這就極大限制了此類合金在較高溫度下的使用［13］。K4169在掃描電鏡下微觀顯微組織及成分，如圖5所示。分析其元素組成可知，（b）處A、B兩點(diǎn)為塊狀或者漢字狀的一次碳化物MC（M為Nb或Ti），C點(diǎn)為γ相與萊氏體相共晶組織且存在一定的碳化物［17］。這種廣泛分布在K4169基體與晶界上的C化物和萊氏體組織，在切削加工中屬于硬質(zhì)點(diǎn)，切削加工過程中易引起沖擊，加速刀具磨損。

圖5 K4169顯微組織及成分Fig.5 Microstructure and Composition of K4169

因此，切削速度較小時(shí)，切削溫度較低，K4169的力學(xué)性能得以保持，加之材料基體內(nèi)部存在細(xì)小彌散的Laves相，對合金產(chǎn)生了一定的硬化作用，使得K4169切削力同GH4169切削力相近；隨著切削速度的增大，切削溫度顯著增高，過高的切削溫度可能導(dǎo)致K4169軟化，切削力降低；而GH4169晶粒組織均勻細(xì)化，在高溫下依然保持較高的強(qiáng)度和韌性，因此，切削速度對GH4169切削力變化并無顯著影響。

3.2 刀具磨損

刀具磨損直接影響加工效率、加工質(zhì)量和加工成本［14］。鎳基高溫合金是最難加工的材料之一，加工時(shí)切削溫度高，加工硬化嚴(yán)重，刀具磨損嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低［15］。通常來說，同樣的切削參數(shù)下，刀具磨損的越快表明該種材料越難以加工，切削加工性能越差。刀具的正常磨損有三種形態(tài)：前刀面磨損、后刀面磨損及邊界磨損。后刀面的磨損往往不均勻，如圖6所示。通?？煞譃槿齻€(gè)區(qū)：靠近刀尖部分的C區(qū)、靠近工件外側(cè)的N區(qū)和中間部分的B區(qū)。C區(qū)由于強(qiáng)度較低、散熱條件較差，磨損較嚴(yán)重，磨損寬度的最大值以VC表示；N區(qū)磨損屬于邊界磨損，由于工件毛坯表面硬皮或上道工序加工硬化層等因素的影響，使得磨損加劇，會產(chǎn)生較大溝槽，該區(qū)的磨損寬度以VN表示；B區(qū)的磨損比較均勻，常以平均磨損寬度VB表示，有時(shí)也用最大磨損寬度VBmax表示。為了適當(dāng)加快磨損試驗(yàn)、節(jié)省成本，試驗(yàn)刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)降低為原來的1/2，即將刀具的磨鈍和失效標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為：（1）后刀面均勻磨損VB磨損值達(dá)到0.15mm；（2）后刀面B區(qū)不均勻磨損VBmax最大值磨損值達(dá)到0.3mm；（3）后刀面N區(qū)溝槽磨損值VN達(dá)到0.3mm；（4）后刀面C區(qū)刀尖處磨損值VC達(dá)到0.3mm；（5）出現(xiàn)明顯的崩刃及破損失效。

圖6 后刀面典型磨損形貌Fig.6 Typical Wear Morphology of Flank Face during Cutting Process

試驗(yàn)觀察了各組切削參數(shù)下刀具磨鈍后的表面形貌，如圖7所示。不同組切削參數(shù)下，刀具磨損的速率及刀具壽命雖然不同，但磨損后的表面形貌大體一致即：典型的前刀面月牙洼磨損（圖7（a））及后刀面磨損帶（圖7（b）），其中后刀面磨損是導(dǎo)致刀具失效的主要原因。

圖7 刀具典型磨損形貌Fig.7 Typical Tool Wear Morphology in Experiment

各組參數(shù)下，兩種材料后刀面均勻磨損寬度VB隨時(shí)間的變化曲線，如圖8、圖9所示。

圖8 GH4169刀具磨損曲線Fig.8 Tool Wear Curve of GH4169

圖9 K4169刀具磨損曲線Fig.9 Tool Wear Curve of K4169

開始切削后第1、2、4、6、8、10、12、14min 時(shí)刻觀測刀具后刀面均勻磨損值VB，14min內(nèi)刀具達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)即停止觀測。可以看出，GH4169在切削速度較低時(shí)（vc=15m/min），刀具均因后刀面靠近C區(qū)的刀尖磨損而失效，刀具壽命不超過8min；切削速度和進(jìn)給量的增大至vc=30m/min，f=0.10mm/r，刀具在觀測時(shí)間內(nèi)并沒有失效，磨損形式表現(xiàn)為均勻的后刀面磨損，靠近刀尖及靠近工件外側(cè)區(qū)域并無嚴(yán)重磨損；切削速度繼續(xù)增大（vc=45m/min），靠近工件外側(cè)N區(qū)的溝槽磨損成為導(dǎo)致刀具失效的主要原因，且進(jìn)給量越大，刀具磨損越劇烈，壽命越短。切削速度較低時(shí)（vc=15m/min），隨著切削加工的進(jìn)行，K4169在各組切削參數(shù)下刀具的磨損形式均為后刀面B區(qū)均勻磨損，且進(jìn)給量越小，刀具磨損越緩慢；切削速度增加至vc=30m/min，進(jìn)給量較小時(shí)（f=0.05mm/r），刀具磨損形式仍為B區(qū)均勻的后刀面磨損，在切削第14min時(shí)，VB=0.150mm，刀具失效，進(jìn)給量較大時(shí)（f=0.10mm/r，f=0.15mm/r），刀具最終因N區(qū)溝槽磨損而失效；vc=45m/min時(shí)，刀具磨損形式與vc=30m/min一致，即進(jìn)給量較小時(shí)為后刀面均勻磨損，進(jìn)給量較大時(shí)為溝槽磨損。

各組參數(shù)下，切削兩種材料時(shí)刀具壽命、失效參數(shù)及失效區(qū)域，如表3所示。

表3 刀具壽命、失效區(qū)域、失效參數(shù)Tab.3 Tool Life，F(xiàn)ailure Area，F(xiàn)ailure Parameters

隨著切削速度和進(jìn)給量的增加，切削GH4169時(shí)刀具的失效區(qū)域經(jīng)歷由C-B-N區(qū)的轉(zhuǎn)變，而切削K4169時(shí)，刀具磨損僅有B區(qū)均勻磨損及N區(qū)溝槽磨損兩種形態(tài)，并未觀察到明顯的刀尖磨損。從刀具壽命角度及材料去除率等方面綜合來看，適宜于GH4169 切削的參數(shù)組合為vc=30m/min，f=0.15mm/r，適宜于K4169切削的參數(shù)組合為vc=15m/min，f=0.15mm/r。

高溫下（700℃）兩種材料的物理性能對比，性能比較一欄的數(shù)值表示兩種材料對應(yīng)力學(xué)性能的差值與GH4169對應(yīng)力學(xué)性能的比值，如表4所示。切削力的大小主要與材料的抗拉強(qiáng)度和硬度有關(guān)，在700℃時(shí)，GH4169、K4169的抗拉強(qiáng)度及硬度值比較接近，這就能解釋為什么在不同的切削速度下，兩種材料的切削力相差不大。實(shí)際上，同GH4169相比，高溫下K4169的物理力學(xué)性能指標(biāo)相對較小，其切削加工性能應(yīng)該更好。試驗(yàn)也證明，在切削用量較小時(shí)，K4169較GH4169切削加工性能好很多，但切削用量較大時(shí)，情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。這種逆轉(zhuǎn)的機(jī)理可能是：在較低的切削速度下，GH4169保持較高的強(qiáng)度與硬度，這導(dǎo)致其切削加工性較差，加工過程中易產(chǎn)生出現(xiàn)刀具因刀尖的強(qiáng)度不足而出現(xiàn)的刀尖磨損的情況，而K4169在該切削條件下與刀具性能有較好的匹配性，其切削加工性較好；當(dāng)切削速度進(jìn)一步提高，GH4169的物理力學(xué)性能進(jìn)一步減弱，其與刀具進(jìn)入較好的性能匹配區(qū)間，使其切削情況得到改善。而K4169因組織不均勻而且有較多的硬質(zhì)相的存在，刀具在高溫下的性能又相對減弱，導(dǎo)致在高溫下，刀具與K4169工件的性能匹配度降低，切削K4169的磨損加劇，其切削加工性變得較GH4169差。這也間接說明，材料的物理性能指標(biāo)相對較小，并不能說明其切削加工性能一定更好。

表4 700℃下GH4169、K4169物理性能對比Tab.4 Comparison of Physical Properties of GH4169 and K4169 at 700℃

4 結(jié)論

GH4169和K4169雖然化學(xué)成分相同，但成型工藝和熱處理狀態(tài)存在差別，因此加工性能存在差異。從切削力、刀具磨損兩方面研究了非涂層硬質(zhì)合金刀具干切削變形鎳基高溫合金GH4169及鑄造鎳基高溫合金K4169時(shí)的差異，主要結(jié)論如下：

（1）試驗(yàn)各組切削參數(shù)下，GH4169 和K4169 切削力相差不大。切削速度較小時(shí)，K4169 切削力稍大；切削速度較大時(shí)，GH4169切削力較大。切削速度較大時(shí)，K4169組織強(qiáng)化相或因過高的切削溫度發(fā)生轉(zhuǎn)變，切削力降低。由于K4169鑄造組織內(nèi)部存在C化物等硬質(zhì)點(diǎn)，其切削力波動較大；

（2）各組切削參數(shù)下，切削GH4169 和K4169 時(shí)刀具磨損及失效形式存在較大差異：隨著切削參數(shù)的增大，切削GH4169時(shí)刀具失效形式由刀尖磨損過渡為后刀面磨損最終轉(zhuǎn)變?yōu)闇喜勰p；切削K4169時(shí)刀具失效形式以后刀面磨損和溝槽磨損為主，低速小進(jìn)給時(shí)失效形式為后刀面磨損，高速大進(jìn)給時(shí)刀具因劇烈溝槽磨損失效。K4169微觀組織中的C化物等硬質(zhì)點(diǎn)高溫時(shí)仍能保持高硬度，是導(dǎo)致刀具溝槽磨損失效的主要原因。