2024年1月23日发(作者:cdx讴歌)

2010年第l0期 文章编号:1001—2265(2010)10—0075—04 ?工艺与装备? 高速侧铣镍基合金Inconel 718切削力试验研究 李安海,赵军,王泽明,崔晓斌 (山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室,济南 250061) 摘要:采用整体式涂层硬质合金立铣刀对镍基合金lnconel 718进行了高速侧铣试验,研究了切削参 数(包括切削速度、进给量、轴向切深和径向切深)的变化对切削力的影响。研究发现,随着轴向切深 的增大,切削力先增大后减小,这主要是由于刀具在切削力的作用下产生了一定程度的弯曲变形和 扭转变形,改变了刀具的整体刚度;随着切削速度、每齿进给量和径向切深的增大,切削力的值呈现 线性增加的趋势,其中对切削力变化影响最大的是切削速度。 关键词:高速切削;切削力;Inconel 718;侧铣 中图分类号:TG506.1 文献标识码:A An Experimental Study of Cutting Forces in High Speed Side Milling of Inconel 7 l 8 L1 An hai,ZHAO Jun.WANG Ze—ming,CUI Xiao—bin (Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture of MOE,School of Mechanical En— gineering,Shandong University,Jinan 25006 1,China) Abstract:A study of the influence of the machining conditions,including cutting speed,feed,axial depth of cut and radial depth of cut,on the cutting forces in high speed side millng of Inconeli 718 with solid coated cemented carbide tools is presented.The experimental results show that the cutting forces increase irstlfy and then decrease as the axial dep th of cut increases.This is mainly caused by the variation of the stiffneSS of the solid carbide too1.due to the bending deformation and torsional deformation of cutting tool under the effect of cutting forces.In addition,the cutting forces increase lnearliy as the cutting sp eed,feed and radial depth of cut increase.However,cutting speed performs relatively signiicant effectf on cutting force in high sp eed side milling. Key words:hi sp eed machining;cutting force;Inconel 7 1 8;side milling O 引言 高速切削加工由于可以获得较高的金属切除 率、高的加工精度和良好的加工表面质量,在现代制 造生产中已受到普遍重视,且以较快速度发展¨ 。 难 。 国内外学者对于镍基合金Inconel 718的铣削加 工时的切削力进行了较多的研究。M.Alauddin等 人建立了干切削条件下未涂层硬质合金刀片铣削加 丁Ineonel 718时关于每齿进给量和轴向切削深度的 平均切向切削力数学预测模型 ,并研究了顺铣和 镍基合金Inconel 718是目前生产量最大的高温 合金牌号,含镍量在50%以上,工作温度较高,可达 1000 ̄以上,通过固溶、时效等方法强化,可得到较 理想的强度和抗蠕变性能,广泛地用于制造航空喷 气发动机中的涡轮盘、涡轮轴、轴颈、封严环和叶片 逆铣加工方式下切削速度、进给量和轴向切深的改 变对切削力的影响及其变化规律 。H.z.Li的研 究 表明,硬质合金涂层刀具铣削加工Inconel 718 时,刀具磨损对刀具寿命产生决定性影响,随着刀具 逐渐磨损,切削力的平均峰值逐渐增大。Y.S.Liao 等人 研究了整体硬质合金刀具加工Inconel 718槽 铣和侧铣时的铣削行为,并指出槽铣时切削速度对 等高温部件。由于切削力较大、切削温度高(最高可 达1000℃左右)、刀具磨损和加工硬化严重以及断屑 困难,镍基合金属于典型的难加工材料,加工极其困 收稿日期:2010—05—04;修回日期:2010—05—28 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2009CB724402) 作者简介:李安海(1984一),男,山东莒南人,山东大学机械工程学院博士生,主要从事高效加工及数控刀具材料的研究,(E—mail)liahsea@ 163.eom。 ?75? 

?工艺与装备? 组合机床与自动化加工技术 化,对刀尖位置在 、l,和z三个方向上的切削力产生 一切削力的变化和刀具磨损/失效行为产生较大影响。 本文采用整体式硬质合金涂层刀具对典型难加 工材料镍基高温合金Inconel 718进行了高速侧铣试 验,通过铣削加工参数的改变,分析了镍基合金高速 铣削加工过程中切削力的影响因素,为高速铣削加 定程度的影响,即引起瞬时切削力的变化。 2 实验方法 2.1 实验装置 工参数选择和优化提供了实验依据。 2.1.1 工件材料 1铣削过程中的切削力分析 在顺铣过程中,最大切屑厚度产生在刀齿与工 试验时工件选用镍基高温合金Inconel 718块 料,尺寸为100mm×100ram×20ram。镍基合金 件接触点附近,每个切人切出过程中切削厚度由大 变小,铣削过程中的刀齿切入角 为从Y轴负半 轴与刀齿工件接触点和原点的连线的夹角 (如图I 所示),则 =90。+arcsin—百 D/2一a (1) 而刀齿切出时的切出角约为 :180。,即在切 出点切屑厚度应为零。 F ( )、F ( )和F:( )与径向切削力F ( )、切向 切削力F (咖)和轴向切削力F。(咖)的切削力矩阵形 一s 焉](z 向力F,和切向力F 以及轴向力F 的共同作用。其中 Inconel 718的主要化学成分和物理力学性能分别如 表1和表2所示。 表1 镍基合金Inconel 718的化学成分构成(wt.%) 元素 Ni Cr Fe Nb+Ta Mo Ti wt% 剩余 l8.37 l7.8 5.34 3.04 0.98 元素 Al Co Si Mn Cu C wt% 0.5 0.23 O.O8 0.08 0.04 0.04 表2 镍基合金Inconel 718的物理力学性能 性能 参数值 性能 参数值 密度/(kg/m ) 8470 热导率/(W/(m?K)) 11.2 硬度/HRC 40~42 屈服强度/MPa 111O 弹性模量/GPa 206 应变率/% 23.3 泊松比 O.3 2.1.2 刀具选择 由于加工高温合金切削力大,切削温度高并集 中在刀刃附近,容易产生崩刃和塑性变形现象,因而 加工高温合金时刀具材料通常采用韧性和导热性较 好的K类和高温性能好的S类合金 。 本试验刀具采用KENNAMEAL公司生产的整体 式硬质合金立铣刀,刀具牌号为F4AJ2000ADN30 KC625M,直径D=20ram,齿数z=4,螺旋角 = 3O。。该刀具硬质合金基体上涂有5 m厚的 PVD(TiN/TiCN/TiC(N))多涂层,是一种适合加工 所有类型的高性能牌号,具有很高的耐磨性和硬度, 为整体硬质合金刀具抵御月牙洼提供了显著的保护 作用,该牌号适合有冷却和干切削多种场合。 2.1.3 机床加工系统 本试验在五轴立式加工中心DMU-70V上进行, 机床主轴最高转速18,O00rpm,数控系统为 HEIDENHAIN 426。Kistler 9257B三向铣削测力仪固 定在工作台上测量切削过程中的切削力,并通过 5070型多通道电荷放大器与计算机的数据采集分析 平台联接。实验测试装置如图2所示。 2.2 实验过程 本试验采用单因素实验法,实验参数选择四个 参数:切削速度 每齿进给量 、轴向切深a 和径 向切深a ,每个参数变化五个水平,其具体参数值如 表3所示。 

2010年第10期 图2 实验装置 表3 试验方案 因素 Vc=60m/min, =0 02mm/Z,n =2mm 轴向切深a (mm) 6 7 8 9 10’ 因素 Vc 60m/rain,a =7ram,。 =2mm 每齿进给量 (mm/Z) O.02 0.03 0.04 O O5 O O6 因素 =0.02mm/Z,a =7mm,n :2mm 切削速度Vc(m/min) 40 50 60 80 l0O 因素 Vc=60m/min, 0.02mm/Z,口 =7ram 径向切深a (inm) O.4 O.8 1.2 1 6 2 实验过程中铣削方式采用顺铣,每组参数切削 长度为50ram,干切削。利用Kistler 9257B测力仪测 量并记录每组参数下的切削力,图3为一组切削参数 下的切削力示例。 毛 聂 躲 时间 s 图3 切削力测量结果示例 3 实验结果与讨论 高速铣削镍基合金Inconel 718时切削参数对切 削力的影响曲线如图4所示。从图中可以看出, 向 和z向切削力随着切削参数的改变变化不大,而切削 参数的改变对l,向切削力的变化很大,且其值要比 向和z向切削力大得多,因此本实验中y向切削力为 铣削过程中的主切削力,下面将分别分析每种切削 参数的改变对主切削力的影响规律。 轴向切深 (mm) (a)= ̄min, =o.02m ̄Z,=2ram ?工艺与装备? 0.0l 0.02 0.03 0.04 0.O5 0.06 0.o7 每齿进给量 (m n,Z) (b) -6oIn,min, =7mm,ae=2ram 岔 恩 切削速度V( ̄min) (c) =O.02mm/Z,=7ram,=2ram 径向切深 (mm) (d) 60m/rain, :0?02m ̄Z,口口 7ram 图4 切削参数对切削力的影响 3.1 轴向切深对侧铣切削力的影响 图4a所示为高速侧铣试验切削力随轴向切深a 的变化情况。从图中可以看出,当轴向切深逐渐增大 时,主切削力的大小值呈现先增大后变小的趋势,当 轴向切深从6ram变为7ram时,切削力变大,而在轴 向切深7~10ram之间的这个范围内,轴向切深越 大,主切削力反而越小。这主要是因为侧铣过程中相 对切削宽度(径向切深)来说,轴向切深要大得多,工 件施加的作用力只作用在刀具参与瞬时切削的那一 部分上,当轴向切深较小(6ram)时,切削力较小;而 当轴向切深大于7ram时,根据第1节的分析推断,刀 具在径向切削力F,的作用下产生了弯曲变形,而在 切向切削力, 的作用下产生了扭转变形,刀具的整 体刚度发生了较大的变化,进而使得 向切削力和l, 向切削力有了一定程度的减小,改变了切削力随着 轴向切深增大的变化趋势。 另一方面,切削力只作用在刀具一工件接触面 积内 ,而接触面积的长度和宽度分别由轴向和径 向切削深度决定,而此时径向切削深度为定值2ram, 轴向切削深度越大,参与切削的刀齿一工件接触长度 增大,刀具一工件接触面积越大,改善了铣削过程的 均匀性,从而测得的切削力的值相对变小。 

?工艺与装备? 3.2 每齿进给量对侧铣切削力的影响 图4b为高速铣削试验切削力随每齿进给量. 的 变化情况。从图中可以看出,随着每齿进给量的增 大,主切削力逐渐增大,说明在切削速度一定的情况 下,增大进给量会引起切削力的增大。这主要是由于 铣削过程中每齿切除的切屑厚度相对变大,材料去 除率增大,刀 屑接接触区摩擦增大,刀具磨损过程 加快,切削力会明显增大。 3.3 切削速度对侧铣切削力的影响 切削力随切削速度 的变化情况如图4c所示。 从图中可以看出,随着切削速度的提高,测得的主切 削力值逐渐变大。在较低的切削速度(40m/rain和 50m/rain)下,切削温度相对来说比较低,切削力变 化较小,这主要是由于在较低的温度下,切屑从母体 材料上的分离,更多的是脆性断裂,在切削力作用 下,沿刀具切向不断产生扩大的裂口,从而减小了切 削阻力;随着切削速度继续提高,切削温度不断升 高,切削力急剧增大,特别是当切削速度为100m/rain 时,测得的最大主切削力接近3000N,这主要是由于 Ineonel 718这种高温合金在高温下仍然保持很高的 强度,同时在较高的温度下,材料的塑性增大,切屑 的分离模式由断裂逐步转变为撕裂,增大了切削阻 力,而且,高温下材料会变得更粘滞,增大了刀具前 后面与工件材料的摩擦阻力,从而使切削力进一步 加大。 从图4c中还可以看出, 向切削力呈现先增加 后减小的趋势,这是由于刀具产生了一定程度的弯 曲变形和扭转变形,改变的刀具的整体刚度,从而对 向切削力增大的趋势产生了较大影响。切削速度由 40m/rain变化到lOOm/rain时,y向切削力的变化量 接近2000N,刀具变形对其影响相对较小,因此选择 较小的切削速度可以减小侧铣过程中的切削力,获 得良好的刀具使用效果。 3.4 径向切深对侧铣切削力的影响 高速铣削试验切削力随径向切深o 的变化情况 如图4d所示。从图中可以看出,随着径向切深的增 大,主切削力的值逐渐增大,说明对于侧铣来说增大 径向切深会引起主切削力的增大。这主要是由于在 刀具一工件接触面积一定的情况下,随着径向切深的 增大,单位时间内的金属切除量增大,增加了切削过 程的难度,从而引起切削力的增大。 ?78? 组合机床与自动化加工技术 4 结束语 (1)镍基合金高速铣削过程中切削温度高,加工 硬化现象较严重。由于镍基合金导热系数很小,导热 性差,而切削过程中刀具与工件间摩擦强烈,故切削 温度高。工件材料基体硬度约为40—42舰C,切削后 表面产生一定厚度的硬化层,硬度增加到46~ 48HRC,硬化程度接近20%。 (2)随着轴向切深a。的增大,切削力先增大后 减小,主要是由于在切削力的作用下刀具产生了一 定的变形,进而改变了刀具的整体刚度。 (3)切削力随着切削速度 、每齿进给量 和 径向切深。 的增大而增大,对切削力变化影响最大 的是切削速度。 (4)高速侧铣过程中切削力较大,为降低切削过 程中的切削力,提高刀具寿命,切削参数的选择时, 应选择合适的轴向切削深度,并采用较小的每齿进 给量和径向切深,最重要的是在保证加工效率的前 提下选定较小的切削速度。 [参考文献] [1]艾兴,邓建新,刘战强,等.高速切削加工技术[M].北 京:国防工业出版社,2003. [2]郑文虎,张玉林,詹明荣.难切削材料技术问答[M].北 京:北京出版社,2000. [3]M.Alauddin,M.A.E1 Baradie,M.S.J.Hashmi.Mod- elling of cutting force in end milling Inconel 7 1 8[J].Jour— hal of Materials Processing Technology,1996,58(1):100— 108. [4]M.Alauddin,M.A.Mazid,M.A.E1 Baradi,et a1.Cut- ting forces in the end milling of Inconel 718[J].Journal of Materials Processing Technology,1998,77(1—3):153— 159. [5]H.Z.Li,H.Zeng,X.Q.Chen.An experimental study of tool wear and cutting force variation in the end milling of In— conel 7 1 8 with coated carbide inserts[J].Journal of Mate— rials Processing Technology,2006,180(1—3):296~304. [6]Y.S.Liao,H.M.Lin,J.H.Wang.Behaviors of end mill— ing Ineonel 71 8 superalloy by cemented carbide tools[J]. Journal of Materials Processing Technology,2008,201(1— 3):460—465. [7]王新永,于启勋,庞思勤.高温合金切削中刀具的合理选 用[J].航空制造技术,2008(23):52—55. [8]Wenhsiang Lai,Bryan Greenway,Terry Faddis.Flute en? gagement in peripheral milling[J].Journal of Materials Processing Technology,2001,117(1—2):1—8. (编辑赵蓉) 

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