铸造高温合金K423A内圆车削工艺优化研究

时间：2024-07-28

聂聪，苏宏华，胡浩

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

0 引言

K423A合金是我国自行研制的镍基等轴晶铸造高温合金，合金的强度高，抗氧化、抗疲劳性能好，使用温度最高可达1 050 ℃，是目前国内航空发动机广泛使用的高温材料，也是典型的难加工材料[1-3]。高温合金切削过程中具有热传导率低、加工硬化严重、高温强度高等特点[4-7]，给加工制造带来了严峻挑战。主要困难表现在：加工工具寿命短，加工效率低，加工表面完整性差，难以适应发动机零部件高效、高质量、低成本的加工需求。涂层硬质合金刀具具有良好的耐磨性和耐热性，是加工镍基高温合金的常用刀具。但是，目前采用硬质合金刀具切削加工K423A铸造高温合金的研究报道较少，针对内圆特征的切削研究更显不足。

本文通过对涂层硬质合金刀具内圆切削K423A高温合金的试验研究，分析切削力与刀具磨损，综合考虑切削效率与刀具寿命，提出优化的切削参数。

1 试验条件及方案

1.1 试验材料及刀具

试验所用工件材料为K423A铸造高温合金，材料的质量分数见表1，主要物理及力学性能见表2。试验工件为整体铸件，结构较为复杂，采用花盘装夹，内圆车削部分规格为φ186 mm×40 mm。涂层硬质合金刀片选用的CNMG120412，匹配刀杆A25T-DCLNR12。试验时，刀杆悬伸长度为56 mm。

表1 K423A的质量分数 (%)

表2 K423A主要物理及力学性能

1.2 试验方案

试验在SK50P数控车床上进行，采用Kistler9272型三向压电式测力仪、5070A型电荷放大器和DynoWare V2.51型力信号采集系统等仪器测切削力。测力仪安装时，使z向为切削速度方向，x向为进给方向，y向为切深方向，即Fz为主切削力，Fx为进给抗力，Fy为切深抗力。用Hirox KH-700三维视频显微镜跟踪拍摄测量刀具磨损量。磨钝标准为：后刀面平均磨损量VB=0.3mm或后刀面最大磨损量VBmax=0.6m。

本文选定切深ap为1.5mm，对切削速度v和进给量f进行二元排列法全搭配试验，切削速度选取10m/min，15m/min，20m/min，25m/min 4个水平，进给量选取0.1mm/r，0.15mm/r，0.2mm/r 3个水平。

2 试验结果与分析

2.1 切削力分析

切削力随切削速度变化情况如图1所示。在进给量为0.1～0.2mm/r范围内，主切削力随切削速度的增大表现得相对平稳，变化幅度均在100N以内。进给量在0.1mm/r和0.15mm/r时，主切削力随速度的增大都出现下降的趋势。这是因为切削速度增大，剪切角增大，摩擦系数和变形系数减小，切削力随之减小。另外，速度增大，材料的热软化作用愈加明显，切削力下降[8]。进给量增大到0.2mm/r时，进给量带来的热软化作用效果显著，使得切削力在v=15m/min时便下降到最小值。之后切削力增大，主要是因为刀具磨损加剧，在切削速度为20m/min时，较早出现了微崩刃，25m/min时，明显观察到微崩刃与前刀面的片状剥落、月牙洼。

图1 切削力随切削速度的变化

在切削速度为10～25m/min范围内，切削力随进给量的变化呈现较好的规律性，均随进给量的增大而增大，主切削力基本在700～1 300N之间。普遍认为，进给量增大，切削面积增大，使得变形力和摩擦力增大；切削力随之增大，另一方面，进给量增大，切削温度升高同样带来热软化效应。同时，切削厚度增加，变形系数减小，又会减小切削力[10]。二者共同作用，影响切削力的变化。总的来看，前者对切削力的影响明显大于后者，但在v=15m/min和20m/min时，进给量增大到0.2mm/r时，切削力增幅减小，后者的影响显现出来。

2.2 后刀面磨损量分析

后刀面磨损量随切削路径的变化情况如图2所示。在进给量为0.1～0.2mm/r，切削速度为10～20m/min范围内，切削速度对刀具磨损和刀具寿命的影响呈现较好的一致性，速度越小，刀具寿命越长，刀具磨损愈加缓慢。在f=0.15mm/r时，切削速度为10m/min时刀片的刀具寿命是400m，切削路程是25m/min速度下的4倍，是15m/min速度下的1.5倍，f=0.2mm/r时，10m/min速度下刀片的切削路程是其他切削速度下切削路程的2～3.5倍，切削速度对刀具寿命的影响可见一斑。另外，进给量为0.15mm/r时，15m/min和20m/min速度下出现了时间较短的稳定磨损阶段，0.2mm/r的进给量下，15～25m/min速度下刀具磨损急剧增大直至达到磨钝标准，10m/min速度下刀具虽然也没有出现明显的稳定磨损阶段，但在整个刀具寿命中磨损缓慢。进给量对刀具寿命的影响呈现出与切削速度一致的规律，进给量越大，刀具寿命越短。在切削速度为25m/min时，f=0.1mm/r下的刀具寿命是其他进给量下的1.67～2倍。由此可知，低速和小进给量有利于刀具寿命，前刀面磨损过程如图3所示，比较图3(b)和图3(c)，随着进给量增大，低速(10m/min)对延长刀具寿命的影响变得更加显著，而随着切削力的增大，小进给量(0.1mm/r)对延长刀具寿命的影响在减小。在选择切削参数时，从刀具寿命的角度考虑，应选择10m/min、0.1mm/r的低速小进给量的参数切削，从切削效率的角度考虑，应当首先增大进给量，选择较小的切削速度，以尽量减小对刀具寿命的影响。

图2 后刀面最大磨损量随切削路程的变化

刀片磨损形式主要是前刀面的月牙洼、片状剥落，微崩刃，后刀面磨损等。刀具磨损初期，在前刀面上可观察到微崩刃和轻微的片状剥落。随着切削的进行，月牙洼出现，这是由于切屑在高温高压下流经前刀面，与前刀面摩擦，在热扩散、氧化、粘结综合作用下，生成小的凹坑，形成月牙洼形式的磨损。在图3(b)中，切削路程达到18m时明显观察到月牙洼与裂纹，裂纹是由于热应力疲劳和刀具-切屑或刀具-工件的接触疲劳产生的。图3(c)中，切削路程达到27m时，裂纹更加明显。在内圆车削中，振动严重，切削力大，各参数下的总切削力基本都在1 000N以上，此时裂纹的影响被放大，极易扩展形成片状剥落或崩刃，导致刀具失效。在其他参数下，也观察到严重的层状剥落，与后刀面的剥落或磨损连在一起，致使锋利的切削刃消失，刀片呈现极大的刃圆半径，失去切削能力。

切削速度为10m/min时，刀具后刀面磨损较为稳定，磨损带上最大磨损宽度常出现在中间位置，但随着切削的进行，前刀面上的片状剥落与不均匀微崩刃加剧，后刀面上也会发生剥落，位置集中在边界或者最大磨损宽度处。v=20m/min时，片状剥落导致刀尖处磨损严重，使得后刀面最大磨损宽度靠近刀尖，出现沟槽磨损，后刀面磨损情况如图4所示。图4中，在刀具整个寿命周期内，后刀面均可观察到明显的划痕，这是磨粒磨损的典型形貌，在切削过程中，工件中的硬质点像磨粒一样深入刀具的接触表面，对刀具产生耕犁、刻划作用。

图3 前刀面磨损过程图

对图4(c)刀片上的粘结物在前刀面上做能谱分析(图5)，粘结物含有丰富的Ni、Cr、Co、Mo等元素，可以确定为工件材料。Ni、Cr等元素粘附在刀具表面，不仅影响切削性能，同时增加了刀具与工件材料的亲和性，使粘结更加严重，当粘结发展到一定程度时，工件与粘结物开裂，粘结物脱落，加剧刀具磨损[9]。

2.3 切削效率与刀具寿命

为便于直观地比较分析，对各参数下的材料去除率和材料去除量做归一化处理。v=25m/min，f=0.2mm/r时，材料去除率最大，为7 500mm3/min，各参数下的材料去除率均以真实材料去除率与该值的比值N表示。同样的，v=10m/min，f=0.1mm/r时，材料去除量最大，为138cm3，各参数下的材料去除率均以真实材料去除率与该值的比值Q表示。

切削速度增大，进给量增大，刀具寿命随之减小，虽然材料去除率增大，但刀具的材料去除量呈现减小的趋势，说明在切削速度10～25m/min，进给量0.1～0.2mm/r范围内，相比于切削效率，切削参数对刀具寿命的影响更为显著。

在进给量为0.1～0.2mm/r范围内，随着速度增大，材料去除量减小，但速度在不同进给量水平上对材料去除量的影响程度不同，因速度增大而导致的材料去除量减小值在0.38～0.81之间；在切削速度为10～20m/min范围内，在各速度水平上，进给量增大带来的材料去除量减小值在0.35～0.45之间。在速度达到25m/min时，各进给量下的材料去除量近乎相等。总的来看，进给量对材料去除量的影响要小于切削速度。

图4 后刀面磨损图

图5 刀片能谱分析图

以材料去除率0.5为例，对应的切削参数及材料去除量可以为v=25m/min，f=0.1mm/r，Q=0.19，或者v=16.7m/min，f=0.15mm/r，Q=0.4，或者v=12.5m/min，f=0.2mm/r，Q=0.55。可见，为实现相同的切削效率，选择较低的切削速度，对应提高进给量，可以获得较大的材料去除量。