鎳基高溫合金銑削加工的殘余應(yīng)力研究.pdf

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1、鎳基高溫合金銑削加工的殘余應(yīng)力研究張穎琳。陳五一(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)【摘要】對(duì)硬質(zhì)合金與陶瓷兩類(lèi)不同刀具分別以低速濕式銑削和高速干銑削方式加工鎳基高溫合金GH4169時(shí)的已加工表面殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。采用X射線衍射法測(cè)量銑削后的工件表面殘余應(yīng)力。采用涂層硬質(zhì)合金刀具在較低銑削速度30~9‰in并澆注切削液的條件下銑削GH4169時(shí)，可在工件表面形成殘余壓應(yīng)力或相對(duì)較小的殘余拉應(yīng)力，對(duì)殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，刀具和銑削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力均有顯著影響，而且表面殘余應(yīng)力總體上隨著每齒進(jìn)給量的增加而呈現(xiàn)

2、拉應(yīng)力增加的趨勢(shì)。采用涂層A120，一sic。和sialon陶瓷刀具以較高銑削速度300～1100Ill／min干銑削GH4169時(shí)，工件表面都將形成很大的殘余拉應(yīng)力。鎳基高溫合金GH4169的精加工更適合采用硬質(zhì)合金涂層刀具并澆注切削液充分冷卻，而陶瓷刀具干銑削則更適合于GH4169的粗加工。關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金；殘余應(yīng)力；高速干銑削；硬質(zhì)合金涂層刀具；陶瓷刀具DOI：lO．1608叫．issnl671—833x．2016．03．042張穎琳博士。主要研究方向?yàn)殡y加工材料切削加工技術(shù)、刀具磨損機(jī)理研究、難加工材料切削參數(shù)優(yōu)化。鎳基高溫合金在

3、高溫環(huán)境中具有很高的屈服強(qiáng)度，以及良好的抗疲42航空制造技術(shù)·2016年第3期勞、抗氧化、抗輻射、耐腐蝕性能，是航空航天、核能、石油等工業(yè)中必需的關(guān)鍵難加工材料【l】。鎳基高溫合金因其高溫強(qiáng)度優(yōu)異、導(dǎo)熱性差、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重等特點(diǎn)，在材料切削加工過(guò)程中不僅刀具磨損極為嚴(yán)重，而且工件表面質(zhì)量難以保證【2l。其中，表面殘余應(yīng)力狀態(tài)是鎳基高溫合金精加工的重要問(wèn)題之一。通常，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要來(lái)自于機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力以及相變這3個(gè)方面pl。切削過(guò)程中機(jī)械應(yīng)力作用所造成的塑性變形，以及切削刃前方的塑性變形常在工件表面形成殘余拉應(yīng)力，而刀具后刀面與已加工表

4、面的擠壓和摩擦常形成殘余壓應(yīng)力；切削時(shí)劇烈的塑性變形以及刀具工件間的摩擦，使得切削溫度很高，工件上形成不均勻的溫度分布，產(chǎn)生熱應(yīng)力，切削后已加工表面層冷卻，表層金屬體積收縮受阻，形成殘余拉應(yīng)力；切削區(qū)附近的高溫可能導(dǎo)致表層金屬發(fā)生相變，引起體積變化，形成殘余拉應(yīng)力或壓應(yīng)力卜51。在難加工材料的切削過(guò)程中存在嚴(yán)重的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，當(dāng)切削條件變化時(shí)，加工殘余應(yīng)力的來(lái)源也隨之變化，可能在工件表面形成不同狀態(tài)的殘余應(yīng)力№l。加工殘余應(yīng)力帶來(lái)了一系列潛在危險(xiǎn)，影響著零件使用過(guò)程中的裂紋形成與擴(kuò)展、疲勞破壞、蠕變破壞及零件壽命等，對(duì)零件的安全和性能均具

5、有重要影響【7】。殘余壓應(yīng)力有助于改善零件的疲勞壽命、蠕變壽命、抵抗裂紋擴(kuò)展的能力等，而殘余拉應(yīng)力則與之相反【6】。因而，對(duì)于需獲得高可靠性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件來(lái)說(shuō)，殘余應(yīng)力是非常重要的用于評(píng)估已加工表面質(zhì)量的實(shí)際參數(shù)，而鎳基高溫合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用正是如此。關(guān)于鎳基高溫合金切削加工殘余應(yīng)力的研究，主要集中于揭示切削條件與殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。在這些研究中，切削條件大致可以分為以下幾類(lèi)：不同的切削用量、不同的冷卻和潤(rùn)滑條件、刀具幾何參數(shù)與刀具磨損。Cai等嘲研究表明，當(dāng)銑削速度從20m／min增加到80m／min時(shí)，工件表面的殘余拉應(yīng)力迅速增大

6、。Amnachalam等【91發(fā)現(xiàn)，CBN刀具產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)切削速度的變化很敏感，以150。225m／min端面車(chē)削鎳基高溫合金Inconel718后工件表面形成殘余壓應(yīng)力，而切削速度為300。375m，min時(shí)工件表面形成殘余拉應(yīng)力。schlauer等【刪用陶瓷刀具以切削速度10IIl，min、410m／min、810m／min和進(jìn)給量0．01mm，r、0．06mm，r、O．11mm，r正交切削鎳基高溫合金，當(dāng)切削速度為10m／min、進(jìn)給量為0．06mm／r時(shí)工件表面產(chǎn)生小的殘余壓應(yīng)力；當(dāng)切削速度為410IIl／min、8l‰／min時(shí)

7、，在工件表層存在一個(gè)殘余拉應(yīng)力的薄層，已加工表面上的殘余拉應(yīng)力最大。工件次表層為殘余壓應(yīng)力區(qū)域，該殘余壓應(yīng)力層的厚度數(shù)倍于拉應(yīng)力層的厚度。Sharman等【111的鎳基高溫合金Inconel718車(chē)削試驗(yàn)顯示，隨著進(jìn)給量增加，表面殘余拉應(yīng)力增大。Pusavec等”2】研究發(fā)現(xiàn)，與微量潤(rùn)滑和干切削相比，在低溫冷卻條件下車(chē)削鎳基高溫合金Inconel718時(shí)，表面粗糙度下降，殘余壓應(yīng)力增加，殘余壓應(yīng)力層也隨之增厚。Devillez等”∞采用涂層硬質(zhì)合金刀具以切削速度40—80m，min在干切削和添加冷卻液兩種不同條件下車(chē)削Inconel718，結(jié)

8、果表明在相同速度下干切削時(shí)表面殘余拉應(yīng)力更大。AspinwaU等”4】研究顯示，順銑Inconel718時(shí)，當(dāng)?shù)毒吣p時(shí)，工件表面殘余拉應(yīng)力增大，而且隨著刀具磨損量