鈷基高溫合金在730~1100℃條件下具有一定的高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。在工業(yè)應用中，鈷基高溫合金主要用于制作航空噴氣發(fā)動機、工業(yè)燃氣輪機、艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導葉以及柴油機噴嘴等。由于高溫合金具有較好的熱硬性，在切削過程中始終保持著相當高的強度，加工硬化速度較快，使刀具表面產生嚴重的劃痕，容易在切削過程中出現崩刃現象。另外，合金中含有的金屬元素同時也是機械加工所用刀具（如硬質合金）中含有的元素，導致刀具材料元素跟工件材料元素間產生物理、化學作用，使得刀具上不斷出現冷焊、粘結、剝落過程，并造成刀具后刀面的剝落而導致刀具失效[1]。因此，對鈷基高溫合金的加工一直是制造領域的難題之一。
高速切削不僅大大減少了切削時間，切削效率也得到大幅度提高，與傳統(tǒng)切削加工相比具有顯著的特點，主要表現在：能獲得較高的加工精度和表面完整性；能使加工耗能低、節(jié)省制造資源；擴大加工對象種類等[2]。本研究試圖通過對gh188進行高速銑削試驗，研究高速銑削鈷基高溫合金gh188時加工用量與銑削力、刀具磨損和刀具耐用度之間的關系與變化規(guī)律。
試驗材料與試驗條件
1試驗材料
試驗材料為gh188，材料的主要化學成分見表1，物理力學性能見表2。
2試驗條件
試件尺寸：300mm×100mm×40mm。
機床：mikronucp710五坐標加工中心。技術參數：轉速100~18000r/min；功率16kw；zui大工作進給速度20m/min；快速進給速度30m/min；行程（x/y/z）710mm/550mm/500mm。
刀具：本試驗采用seco硬質合金刀具，刀具直徑為25mm，齒數為1，刀柄型號為r217.69-2525.3-12-3a，刀片型號為xoex120408r-m07,f40m，涂層材料為pvdtialn+tin，前角為20°，后角為14°。
測力裝置：采用kistler9265b動態(tài)測力儀，與之配套的放大器為kistler5019電荷放大器。kistler9265b測力儀采用壓電晶體傳感器，可以同時測量3個方向的銑削力，其主要性能指標見表3。銑削力的方向定義為：進給方向為x，銑刀徑向切深方向為y，刀具軸向為z。
刀具磨損測量系統(tǒng)：體視顯微鏡、顯微攝像系統(tǒng)與圖像測量分析軟件。
試驗結果與分析
根據經驗軸向切深并非影響銑削力和刀具耐用度的主要因素，所以固定軸向切深ap為6mm，采用三因素三水平正交法對鈷基高溫合金gh188進行銑削試驗。表4為試驗所使用的因素水平表，試驗采用干切削、順銑。
1銑削力分析
銑削力的產生基礎是切屑變形，同時銑削力直接影響切削熱的產生，并進一步影響刀具的磨損、破損、刀具耐用度、卷屑和斷屑以及加工表面質量等[4]。
在銑削過程中，由于刀具螺旋角為0°，由此產生的軸向力比較小，而且在加工過程中fz對零件變形等影響比較小，所以這里只考慮銑削參數對fx和fy的影響。圖1所示為kistler9265b型測力儀所測得的銑削力信號圖。試驗取各銑削周期中銑削力峰值的平均值作為x、y、z方向的銑削分力。
表5和表6分別為fx和fy的試驗安排與結果分析，其中銑削長度為200mm。表中f1、f2和f3分別為每種因素在1、2、3水平下對應的銑削力之和，m1、m2和m3為其平均值，r為各水平下銑削力平均值的極差，即在每種因素下：
r=max{m1,m2,m3}-min{m1,m2,m3}，（1）
根據正交試驗設計的原理[5]，式（1）中r的大小即反映各因素對銑削力影響的大小。
根據表5和表6中各因素的r值大小，可以看到每齒進給量fz對銑削力的影響zui大，徑向切寬ae，其次銑削速度vc對銑削力的影響zui小，較好的條件組合為銑削速度vc=100m/min，徑向切寬ae=0.4mm，每齒進給量fz=0.04mm/z。
根據傳統(tǒng)切削理論，銑削力與切削用量的關系可以表示為：
f=cvcxaeyfzz，（2）
根據式（2），用matlab將表5和表6中銑削力結果進行多元線性回歸，即可得到銑削力的經驗公式：
fx=108.22vc−0.09ae0.20fz0.56,f=40.87，（3）
fy=107.17vc0.08ae0.27fz0.30,f=29.23，（4）
式（3）和式（4）中銑削力經驗公式f統(tǒng)計量值分別為40.87、29.23>f0.01（3,5）=12.06，說明擬合出的經驗公式高度顯著，可用于銑削力的預測計算和分析。
由式（3）可以看出，在銑削加工鈷基高溫合金gh188的過程中，每齒進給量fz對fx的影響zui大（指數為0.56），徑向切寬ae的影響次之（指數為0.20），銑削速度vc的影響zui小，且影響效果與以上兩個銑削參數相反（指數為-0.09）。由式（4）可以看出，每齒進給量fz和徑向切寬ae對fy的影響程度差不多（指數分別為0.30,0.27），銑削速度vc對fy的影響zui小（指數為0.08）。
2刀具磨損與耐用度分析
金屬切削過程中，刀具在切削力和切削溫度的作用下，由于摩擦、粘結、擴散、崩刃和塑性變形等作用而引起磨損和破損。當刀具磨損發(fā)展到一定程度時，會影響加工質量，直至失去切削能力。刀具磨損是制約難加工材料實現切削的主要因素之一。
2.1刀具磨損形態(tài)的宏觀分析
銑削gh188時有如下規(guī)律：在相對較低的徑向切寬和每齒進給量的用量下，zui大切深位置附近的溝槽磨損比較嚴重，其磨損帶寬度和發(fā)展速度均超過其他部位。如銑削用量vc=80m/min,ae=0.4mm,fz=0.04mm/z時溝槽部位的磨損量為0.41mm，而其余部位的平均后刀面磨損僅為0.10mm；當銑削用量增大后，刀具磨損主要發(fā)生在1/2軸向切深附近，形態(tài)為后刀面出現大塊的崩刃、破碎。這可能是因為在使用較低的徑向切寬和每齒進給量銑削gh188時，刀具主要發(fā)生粘結磨損和磨料磨損，此時切屑毛邊的高頻沖擊使得溝槽磨損發(fā)展速度大于其他位置的磨損，溝槽磨損不斷擴大使得刀具失效，而刀具其他部位的磨損還較小；當以較大的徑向切寬和每齒進給量進行斷續(xù)銑削時，切削刃承受較大的沖擊載荷，同時因為銑削過程中溫度zui高的位置往往位于切削刃的1/2軸向切深附近，此處的熱應力會使刀具表面產生裂紋，所以在沖擊載荷和熱應力的綜合作用下，切削刃上1/2軸向切深附近發(fā)生大塊的崩刃、破碎而使刀具失效。
另外，銑削gh188的過程中，除在后刀面產生磨損帶外，切削刃附近的刀具材料會因摩擦和粘結等原因而受到損失，使切削刃在整體上產生“后退”現象，并且不能保持原來比較銳利的形狀，從而使銑削力和銑削溫度進一步升高，使磨損過程加劇。
2.2各銑削參數對刀具耐用度的影響
試驗過程中選取切削刃中磨損較為均勻的區(qū)域，對磨損帶寬度測量3次后取其平均值作為刀具后刀面磨損vb。
圖2為正交試驗的刀具磨損曲線，各條曲線序號分別對應表7中相應序號的試驗。在磨損曲線中磨鈍標準vb=0.3mm處做直線（如圖中虛線所示），則其與磨損曲線交點處的橫坐標即為此組銑削用量下的刀具耐用度，表7為刀具耐用度的試驗結果與分析。
根據表7中r值的大小，可以看到銑削速度vc和每齒進給量fz是影響刀具耐用度t的主要因素，兩者對刀具耐用度t的影響程度相似，而徑向切寬ae對刀具耐用度t的影響zui小。較佳的銑削條件組合為銑削速度vc=80m/min，徑向切寬ae=0.4mm，每齒進給量fz=0.04mm/z。與銑削力經驗公式原理相同，對表7中的數據進行多元線性回歸，可得到如下刀具耐用度經驗公式：
t=1011.33vc−2.41ae−0.53fz−1.01,f=5.76,（5）
式（5）中刀具耐用度經驗公式的f統(tǒng)計量值為5.76＞f0.05（3，5）=5.41，說明擬合出的經驗公式顯著性很好，可用于刀具耐用度的預測計算和分析。
由式（5）可以看出，銑削速度vc對刀具耐用度t的影響zui大（指數為2.41），每齒進給量fz的影響次之（指數為1.01），徑向切寬ae的影響zui小（指數為0.53）。
結束語
通過對鈷基高溫合金gh188的高速銑削研究，可以得到以下結論。
（1）每齒進給量fz和徑向切寬ae是影響銑削力的主要因素，銑削速度對銑削力的影響比較小。
（2）在相對較小的徑向切寬和每齒進給量下，刀具的主要磨損為后刀面zui大切深位置附近的溝槽磨損，其磨損帶寬度和發(fā)展速度均超過其他部位。當銑削用量增大后，刀具的失效形式主要為在切削刃上1/2軸向切深位置附近發(fā)生大塊的破碎。
（3）銑削速度vc是影響刀具耐用度的主要因素，每齒進給量fz其次，徑向切寬ae的影響zui小。
（4）在實際精加工銑削gh188時，可使用銑削速度vc=80m/min，徑向切寬ae=0.4mm，每齒進給量fz=0.04mm/z的銑削用量組合，這樣既能保證有比較高的刀具耐用度（66.3min），也能保證較小的銑削力（fy小于600n）。
此外，工件表面質量和切削溫度也是精加工過程中需要考慮的因素，后期需要對這兩方面進一步進行研究。
（來源：南京航空航天大學）