引言

鎳基合金GH4169具有比強(qiáng)度高、比剛度高和耐高溫的特點(diǎn)，常被用于航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件中 ，然而在加工過(guò)程中常出現(xiàn)崩刀、脆斷、毛刺和加工效率低等現(xiàn)象，屬于典型的難加工材料，傳統(tǒng)的加工方 法難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。超聲振動(dòng)車削，又稱超聲振動(dòng)輔助車削，從微觀上看超聲振動(dòng)車削改變了以往普 通車削連續(xù)切割的方式，以一種斷續(xù)、間歇性的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)工件周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的加工,可以在切削過(guò)程 中達(dá)到降低切削力、提高材料去除率和延長(zhǎng)刀具壽命的效果。軸向超聲振動(dòng)車削是超聲振動(dòng)車削的一種，與 常規(guī)車削相比可以有效改善加工表面質(zhì)量和降低切削力等，因此在高效精密加工方面得到了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前研究學(xué)者在對(duì)超聲振動(dòng)切削進(jìn)行分析時(shí)，在理論分析方面研究較多，而對(duì)試驗(yàn)研究較少，針對(duì)航空 發(fā)動(dòng)機(jī)常用材料GH4169的試驗(yàn)研究極少。為此，課題組選用航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用材料鎳基合金GH4169為研究 對(duì)象，探究了在超聲振動(dòng)車削與普通車削2種加工方式下對(duì)工件的影響，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件加工提 供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

超聲車削試驗(yàn)方案原理圖如圖1所示，試驗(yàn)所使用車床為廣州數(shù)控生產(chǎn)的型號(hào)為GSK-980TC3-d的普通 車床。試驗(yàn)系統(tǒng)主要有日本三菱Kistlerdynamomter9272型三向力傳感器、吉泰TR200型數(shù)顯表面粗糙度 儀、OPTRISPIT900測(cè)溫儀、超聲波振動(dòng)發(fā)生器，超聲振動(dòng)車削局部放大圖如圖2所示。

1.2工件材料

試驗(yàn)材料為鎳基合金GH4169，實(shí)驗(yàn)工件采用的是直徑為50mm、長(zhǎng)度為130mm的棒料，其主要化學(xué)成 分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

1.3試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)中選用日本三菱公司生產(chǎn)的型號(hào)為HPGX080204HTi10的硬質(zhì)合金YG8涂層刀片 ，該刀具的硬度和耐磨性比常規(guī)刀具高很多，刀片實(shí)物如圖3所示。車刀有效幾何參數(shù)如表2所示。

1.4切削速度的選擇

進(jìn)行有無(wú)軸向超聲振動(dòng)車削試驗(yàn)時(shí)，所選的切削深度ap=0.02mm，切削速度v范圍為40~70mm/min，進(jìn) 給量f為0.010~0.025mm/r，刀尖圓弧半徑r=0.4mm，振動(dòng)頻率為30kHz，超聲振幅為5μm，超聲 切削行程為48mm。超聲振動(dòng)車削試驗(yàn)參數(shù)如表3所示[1]。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1切削力

2.1.1動(dòng)態(tài)切削力

對(duì)切削力進(jìn)行收集時(shí)利用上海好耐公司開(kāi)發(fā)的HRsoft_DW_V2.10采集軟件。2種加工方式下動(dòng)態(tài)切削 力變化曲線對(duì)比如圖4所示。

相比于普通車削的切削力變化幅度大且無(wú)規(guī)律，軸向超聲振動(dòng)切削時(shí)切削力的波動(dòng)范圍明顯減小且呈周 期性，表明軸向超聲切削在加工過(guò)程中能使系統(tǒng)穩(wěn)定，提高加工精度，避免過(guò)大的切削力和切削熱的產(chǎn)生。

2.1.2靜態(tài)切削力

對(duì)試驗(yàn)中測(cè)力儀收集到的多組動(dòng)態(tài)切削力數(shù)據(jù)求平均值，得到在不同進(jìn)給量下切削力平均值隨切削速度 的變化如圖5所示。可以看出：軸向超聲振動(dòng)3方向的切削力始終小于普通車削，速度一定時(shí)，進(jìn)給量增 大切削力也隨之增大。進(jìn)給量一定時(shí)，無(wú)論是普通切削還是軸向超聲振動(dòng)切削，切削力隨切削速度逐漸升高 。主切削力Fz隨切削速度波動(dòng)性升高。因?yàn)榕R界超聲切削速度為56.5m/min[2]，在較低切削速度下超聲 振動(dòng)效果明顯，工件與刀具之間發(fā)生明顯的接觸與分離，切削力大幅降低；當(dāng)切削速度逐漸增大時(shí)，刀具與 工件的分離效應(yīng)減弱且工件加工過(guò)程中發(fā)生熱軟化效應(yīng)，軸向超聲振動(dòng)主切削力降低，逐漸趨向于普通切削 。

2.2切削溫度

利用OPTRISPIT900測(cè)溫儀對(duì)刀尖溫度進(jìn)行采集，為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，對(duì)每組切削速度下進(jìn)行3次試 驗(yàn)。切削溫度的變化曲線如圖6所示[3]。可以看出，在相同切削速度下，切削鎳基合金GH4169時(shí)，普通 車削下的切削溫度比超聲振動(dòng)車削的切削溫度要高，切削速度與切削溫度呈波動(dòng)性增長(zhǎng)，這是因?yàn)樵谇邢髦? 軸向超聲振動(dòng)切削能促使切屑折斷，不會(huì)發(fā)生切屑堆積到前刀面的現(xiàn)象，提高散熱效率；切削速度由 40m/min升高到70m/min時(shí)，切削溫度最大升高了45℃[4]；軸向超聲振動(dòng)中進(jìn)給量f=0.010mm/r時(shí) ，溫度變化不明顯，但加工效率低；f=0.025mm/r時(shí)，溫度波動(dòng)較大，趨于普通車削。相比之下，f =0.020mm/r時(shí)，在保證加工速率的情況下還能降低切削溫度。

2.3工件表面粗糙度

粗糙度是精密加工中的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在v=40~70m/min，ap=0.02mm，A=5μm，f=30kHz和進(jìn)給量f =0.010~0.025mm/r條件下對(duì)鎳基合金GH4169進(jìn)行車削試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)的可靠性，在同一棒料上進(jìn)行試 驗(yàn)并且每次試驗(yàn)均使用新的刀具，加工后的照片如圖7所示，可以看出，軸向超聲振動(dòng)車削和普通車削加 工完成后分界線明顯。

為探究2種切削方式的工件表面質(zhì)量，利用TR200型數(shù)顯表面粗糙度儀測(cè)量3組加工后的表面粗糙度 Ra，取平均值。切削速度對(duì)表面粗糙度值的影響如圖8所示，可以看出，軸向超聲振動(dòng)切削的粗糙度值遠(yuǎn) 低于普通切削，切削速度一定時(shí)進(jìn)給量越大粗糙度值越高。

2.4刀具磨損

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，收集試驗(yàn)用刀具并做標(biāo)記，換裝新刀具再次試驗(yàn)。車削加工完成后利用奧斯 微L208PS-3M2000顯微鏡對(duì)刀具的損傷情況進(jìn)行觀察[5]。如圖9（b）、圖9（c）為v=40m/min，進(jìn)給 量f=0.02mm/r，ap=0.02mm、A=5μm和f=30kHz時(shí)有無(wú)超聲振動(dòng)切削鎳基合金GH4169時(shí)刀具磨損情況。 可以看出：與普通車削相比，軸向超聲振動(dòng)車削能夠起到減輕刀具磨損的作用。

2.5切屑形貌

2.5.1宏觀切屑形貌

圖10為切削試驗(yàn)完成后收集到的切屑宏觀形貌照片[6-7]。普通切削中，可清晰看到切屑邊緣呈濃密 狀鋸齒狀毛刺，如圖10（a）所示，鋸齒狀毛刺的形成容易引起刀具和工件系統(tǒng)的振動(dòng)，影響已加工表面的 質(zhì)量。相比之下，軸向超聲振動(dòng)切屑邊緣相對(duì)光滑，如圖10（b）所示，切屑呈松卷狀，切屑薄而長(zhǎng)，不會(huì) 對(duì)加工表面造成影響。

如圖11為普通切削造成的積屑和軸向超聲振動(dòng)切削形成的碎屑。發(fā)現(xiàn)軸向超聲振動(dòng)切削可以促使切屑 發(fā)生折斷，而普通切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑不易折斷，容易對(duì)已加工表面造成劃傷，影響工件表面質(zhì)量，而軸 向超聲振動(dòng)的斷續(xù)切削有效地避免了劃傷的可能。在軸向超聲振動(dòng)過(guò)程中，刀具與工件周期性的接觸與分離 使得切屑在瞬間被切除，所以產(chǎn)生細(xì)小的碎屑薄且短，不會(huì)在刀尖處堆積，因此不會(huì)對(duì)工件的加工精度產(chǎn)生 明顯影響。

2.5.2微切屑形貌

分析切削速度對(duì)鎳基合金GH4169加工中切屑形成規(guī)律的影響，利用奧斯微L208PS-3M2000金相顯微 鏡分別對(duì)f=0.02mm/r，ap=0.02mm條件下普通切削和軸向超聲振動(dòng)切削條件下所形成的切屑進(jìn)行分析。 圖12—圖14為鎳基合金GH4169放大50倍切屑微觀形貌。由圖12（a）、圖13（a）和圖14（a）可以 看出，在普通切削條件下，速度由40m/min增長(zhǎng)到60m/min過(guò)程中，鋸齒逐漸變得清晰，齒根出現(xiàn)裂紋， 齒根高度變大，齒根頻率升高。

由圖12（b）、圖13（b）、圖14（b）可以看出，在軸向超聲振動(dòng)切削下，鋸齒化明顯減小，速度由 40m/min增長(zhǎng)到60m/min過(guò)程中切屑長(zhǎng)度逐漸變短，纏繞程度變大，切屑有斷裂的趨勢(shì)。

3、結(jié)論

為探究航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)常用材料鎳基合金GH4169切削參數(shù)對(duì)加工效果的影響，在進(jìn)給量為0.010， 0.020，0.025mm/r條件下、切削速度為40~70m/min進(jìn)行車削試驗(yàn)，得出了如下結(jié)論：

（1）軸向超聲振動(dòng)能夠達(dá)到降低切削力的效果，是一種有效提高加工效率的方法，切削力與切削速度 呈波動(dòng)性增長(zhǎng)。速度一定時(shí)進(jìn)給量越大切削力越大。

（2）軸向超聲振動(dòng)具有促使切屑折斷的作用，與普通切削過(guò)程中產(chǎn)生的連續(xù)的帶狀屑不同，超聲振動(dòng) 切削產(chǎn)生的碎屑不會(huì)堆積在刀尖和刀桿上，從而避免對(duì)工件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。

（3）軸向超聲振動(dòng)切削的溫度明顯低于普通切削時(shí)的切削溫度，進(jìn)給量f=0.010mm/r時(shí)溫度變化不 明顯，進(jìn)給量f=0.025mm/r溫度波動(dòng)范圍較大，有向普通車削靠近的趨勢(shì)。

（4）無(wú)論軸向超聲振動(dòng)切削還是普通切削，工件表面粗糙度均隨切削速度增大而增大，但在相同的切 削速度下，軸向超聲振動(dòng)粗糙度值明顯減小，有效提高工件的表面質(zhì)量，還可以起到減緩刀具磨損的作用。 進(jìn)給量增大粗糙度降低。

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作者簡(jiǎn)介史春光（1993-），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：高效精密加工。E-mail： 1372223426@qq.com通信作者張敏良，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。E-mail：jx9988@163.com

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