白玉婷， 郭延艳， 赵 灿

(1．黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心，哈尔滨150022;2．黑龙江科技大学 现代制造工程中心，哈尔滨150022)

0 引 言

高速铣削加工技术作为机械加工技术的主流方向，其优势主要在于可以在降低生产成本、提高生产效率、提高表面质量和加工精度的条件下加工难加工材料。镍基高温合金因具有良好的高温强度、硬度、热稳定和热疲劳等特性，在航空、航天、核电、船舶等领域得到了广泛地应用。该类材料属于难加工材料，在铣削过程中存在着铣削力大、铣削温度高以及刀具磨损严重等问题，进而引起产业界和学术界的关注［1］。高速铣削镍基高温合金方面，国内外学者对硬质合金、圆形刀片的铣削性能［2－3］、圆形刀片的表面完整性［4］、铣削温度［5］、陶瓷刀具高速铣削镍基高温合金的铣削加工性［6－7］进行了大量的研究。对于陶瓷刀具高速铣削镍基高温合金的研究相对较少。

高速铣削过程中铣削力的改变会影响铣削加工时切屑的形成，切屑的形成又会影响到加工零件的表面质量。铣削力是否改变与铣削参数、刀具、工件材料等因素有关，改变其中任何一个条件都会引起铣削力的变化。因此，研究高速铣削过程中产生的铣削力是众多学者关注的课题之一。

笔者针对高温合金GH3039 铣削加工性差的特点，首先通过单因素实验分析各铣削参数对铣削力大小的影响规律，再试图从中选择适宜的铣削参数进行正交实验，根据正交实验，建立高速铣削镍基高温合金GH3039 时铣削力的经验模型。

1 GH3039 高温合金

GH3039 是单相奥氏体固溶强化型合金，固溶时效或使用后，其中会有少量的Ti(CN)、NbC 及M32C6碳化物析出，且在600～700 ℃范围内会均匀分布于晶内和晶界，当高于700 ℃后，会沿着晶界析出并聚集长大。同时GH3039 具有组织稳定性好、形成有害相少、在800 ℃以下具有中等的热强性和良好的热疲劳性能、1 000 ℃以下抗氧化性能良好［2］。适宜于850 ℃以下长期使用的航空发动机燃烧室零部件。

GH3039 是一种多元合金，其主要化学成分的质量分数如表1 所示。GH3039 高温合金铣削性能较差，为保证表面加工质量，降低加工成本，对其铣削加工过程进行研究。

表1 GH3039 主要化学成分及质量分数Table 1 Main chemical components of GH3039

2 GH3039 铣削实验

2.1 实验条件

实验机床为奥地利MC120 －60 型数控立式加工中心，加工精度和重复定位精度均高于国内数控加工中心，具有可以实现自动换刀的刀库系统，可实现复杂曲面的铣削加工及多工位加工。机床主要技术参数:主轴功率22.5 kW，转速50～12 000 r/min。

铣削力测量仪器采用瑞士奇的KISTLER9527B三向动态压电式测力仪、Kistler5070A 电荷放大器。测力仪具有一定的抗环境干扰能力，稳定性和可靠性较高。并具有高强度、高灵敏度、固有频率高的优点，可以很好地满足动、静态测试要求，可测出任意相互垂直的Fx、Fy、Fz三向铣削力。测试系统如图1 所示。

图1 测试系统Fig．1 Test system

陶瓷刀具具有优异的耐热性、耐磨性和很高的硬度HRC93～95，从而可以加工诸如GH4169、GH3039 等难以加工的材料。陶瓷刀具的化学稳定性优于硬质合金刀具，可在高速条件下铣削加工并持续较长时间，提高效率3～10 倍［8］。实验采用刀具为绿叶WG300 陶瓷刀具，直径φ8 mm，刀片型号RPGN － 2.52T1A，刀杆型号WSRP － 2520R，直径φ25 mm。

2.2 实验方案

在研究高温合金GH3039 铣削性能时，选取顺铣铣削方式，铣削过程如图2 所示。

铣削方案采取两种方式，即单因素实验方案和正交实验方案。

2.2.1 单因素实验

单因素实验方案的设定，是为了得到在不同铣削参数下铣削力的变化情况，以及铣削参数对切屑宏观形态的影响。首先，设定单因素实验方案，即在每组实验中选择三个固定量和一个改变量，然后，对其进行铣削力的测量，得到该铣削条件下的铣削力数值。为了提高实际生产加工中的生产效率，在粗加工阶段选择陶瓷刀具进行全齿加工，即不改变铣削宽度ae=17 mm，实验具体参数数值及测量结果如表2～4 所示。表2 是铣削深度ap=1.5 mm、ae=17 mm、每齿进给量fz=0.15 mm 的不同铣削速度下的铣削力数值;表3 是vc=210 m/min、ap=1.5 mm、ae=17 mm 的不同每齿进给量下的铣削力数值;表4是vc=210 m/min、fz=0.15 mm、ae=17 mm 的不同背吃刀量下的铣削力数值。

图2 铣削加工过程Fig．2 Milling progress

表2 不同铣削速度下三向铣削力数值Table 2 Three dimensional milling force numerical in different milling speed

表3 不同每齿进给量下三向铣削力的数值Table 3 Three dimensional milling force numerical in different feed engagement

表4 不同背吃刀量下三向铣削力的数值Table 4 Three dimensional milling force numerical in different milling depth

2.2．2 正交实验

根据机械加工手册，结合实验设备自身条件，选取不同的铣削参数因素和水平进行实验安排，全齿铣削得到三因素四水平的正交实验，见表5，其中各铣削加工参数铣削深度ap(A)分别为1、1.2、1.5、1. 7 mm;铣削速度vc(B)分别为240、260、290、320 m/min;每齿进给量fz(C)分别为0.1、0.12、0.15、0.17 mm;铣削宽度ac(D)均为17 mm。

通过软件对每一组方案的铣削力进行分析后，得到其平均值，正交实验得到的16 组铣削加工实验的铣削力数值，如表5 所示。

表5 正交铣削实验方案及测量结果Table 5 Test program and measure result of orthogonal cutting

2.3 铣削参数对铣削力的影响

单因素铣削力测量实验结果如图3 所示。

图3 单因素铣削参数对铣削力的影响Fig．3 Effect of single factor milling parameters on milling force

由图3a 看出，随着铣削速度的增大，三向铣削力呈递减的趋势。高速铣削理论认为，随着铣削速度的提高，铣削力先增高，当铣削速度达到一定值后，随着铣削速度的升高，铣削力逐渐减小。实验中并无此现象，说明实验用铣削速度已经达到一个临界值。在达到高速铣削范围加工时，材料的铣削机理发生改变，被铣削金属层发生绝热剪切，内部产生突变滑移，可以实现在较小的铣削力下对工件进行加工。

由图3b 看出，随着每齿进给量的增加，z 向力变化不大，呈缓慢递增，x、y 向力则呈递增趋势。每齿进给量的增加使单位时间内材料去除率增加，刀具单位时间内进行铣削的面积增大，进而使刀具与工件之间的摩擦作用加大，铣削力大幅度增大。

由图3c 看出，随着背吃刀量的增大，三向铣削力均呈递增趋势，其中z 向铣削力变化缓慢。背吃刀量增加使铣削加工单位时间的刀具铣削面积增大，摩擦力增大，铣削力增大。由铣削面积公式Ac=apf 知，进给量或背吃刀量的增大都能引起铣削面积的增大，即加工时刀具前刀面与工件材料的摩擦力增大，使得铣削力增大。

上述结论与文献［2］相同，说明不论是在常规铣削条件下还是高速铣削，铣削力的变化趋势是一致的。

2.4 铣削力经验公式

高速铣削加工在选择铣削参数时，没有成熟的公式或数据来参考，因此，在实际中会通过大量的实验数据进行分析，建立适合的铣削力预测模型。

对于四个铣削因素，根据金属铣削原理，建立铣通用形式:

式(1)中C 取决于加工材料和铣削条件的系数，ap为背吃刀量、vc为铣削速度、vf为进给量、ae为铣削宽度，其中vf可表示为

式中:m——刀齿数;

n——主轴转速。

采用多元线性回归分析的方法，进行拟合，建立GH3039 材料铣削力经验公式。得出指数形式铣削力:

根据表6 的实验数据，采用极差分析方法，可以求出不同铣削参数对三向铣削力的影响数值。正交实验结果极差分析见表6。由表6 知，对于Fx，背吃刀量对其影响最大，其次为每齿进给量，影响最小的为铣削速度;对于Fy，最为显著的影响因素是每齿进给量，其次为背吃刀量，影响最小的是铣削速度;对于Fz，参数的对其影响从大到小依次为背吃刀量、铣削速度和每齿进给量。由极差分析后得到的最优参数为ap=1.7 mm，n=4 500 r/min，fz=0.1 mm。

通过极差分析可以得出不同铣削参数对铣削力的影响情况，如表6 所示，即可分析出不同因素不同水平值对铣削力的影响程度的大小及变化规律。图4给出了铣削参数与铣削力的关系曲线。

表6 正交实验结果极差分析Table 6 Rage analytical statement of orthogonal test N

图4 铣削参数对铣削力的影响Fig．4 Influence of cutting parameters to cutting forces

由图4a 可以看出随着背吃刀量的增大，x、y、z向铣削力在ap=1～1.5 mm 范围内是小幅度减小的，之后则呈增大趋势;由图4c 知随每齿进给量的增大，Fx、Fy铣削力呈增大趋势，Fz向铣削力则先增大后减小再增大;图4b 显示铣削速度与铣削力的关系曲线，随着铣削速度的提高，x、z 向铣削力变化趋势相近，整体呈减小趋势，y 向铣削力先减小，v≥260 m/min 后呈增大趋势。对于不同铣削参数下Fz的变化趋势都比较缓慢，原因是在背吃刀量一定情况下，材料的去除方向主要在x、y 两个方向进行，所以z 向上的铣削力比较小而且趋于稳定。

3 结束语

高速铣削技术可以减少加工时间，提高刀具寿命，已在德美日等工业发达国家得到广泛应用。通过对陶瓷刀具高速铣削镍基高温合金GH3039 的单因素实验和正交实验，分析铣削参数对铣削力的影响规律，建立铣削力的经验公式，并通过极差分析得出最优铣削参数，实验结果可为该材料加工过程中的铣削参数选择提供可靠依据。

［1］徐芗明．镍基高温合金铣削加工锯齿形切屑研究［J］．机械制造，2008，46(6):38 －40．

［2］郭延艳，赵 灿，王旭峰，等．高温合金GH3039 铣削力实验研究［J］．黑龙江科技学院学报，2011，21(6):463 －465．

［3］ELBESTAWI M A，ElWARDANY T I．Performance of whisker-reinforced ceramic tools in milling nickel-based alloy［J］．Annals of CIRP，1993，42(1):99 －102．

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