镍基高温合金铣削加工的残余应力研究.pdf

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1、镍基高温合金铣削加工的残余应力研究张颖琳。陈五一(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)【摘要】对硬质合金与陶瓷两类不同刀具分别以低速湿式铣削和高速干铣削方式加工镍基高温合金GH4169时的已加工表面残余应力进行研究。采用X射线衍射法测量铣削后的工件表面残余应力。采用涂层硬质合金刀具在较低铣削速度30~9‰in并浇注切削液的条件下铣削GH4169时，可在工件表面形成残余压应力或相对较小的残余拉应力，对残余应力数据进行统计分析。结果表明，刀具和铣削速度对表面残余应力均有显著影响，而且表面残余应力总体上随着每齿进给量的增加而呈现

2、拉应力增加的趋势。采用涂层A120，一sic。和sialon陶瓷刀具以较高铣削速度300～1100Ill／min干铣削GH4169时，工件表面都将形成很大的残余拉应力。镍基高温合金GH4169的精加工更适合采用硬质合金涂层刀具并浇注切削液充分冷却，而陶瓷刀具干铣削则更适合于GH4169的粗加工。关键词：镍基高温合金；残余应力；高速干铣削；硬质合金涂层刀具；陶瓷刀具DOI：lO．1608叫．issnl671—833x．2016．03．042张颖琳博士。主要研究方向为难加工材料切削加工技术、刀具磨损机理研究、难加工材料切削参数优化。镍基高温合金在

3、高温环境中具有很高的屈服强度，以及良好的抗疲42航空制造技术·2016年第3期劳、抗氧化、抗辐射、耐腐蚀性能，是航空航天、核能、石油等工业中必需的关键难加工材料【l】。镍基高温合金因其高温强度优异、导热性差、加工硬化现象严重等特点，在材料切削加工过程中不仅刀具磨损极为严重，而且工件表面质量难以保证【2l。其中，表面残余应力状态是镍基高温合金精加工的重要问题之一。通常，残余应力的产生主要来自于机械应力、热应力以及相变这3个方面pl。切削过程中机械应力作用所造成的塑性变形，以及切削刃前方的塑性变形常在工件表面形成残余拉应力，而刀具后刀面与已加工表

4、面的挤压和摩擦常形成残余压应力；切削时剧烈的塑性变形以及刀具工件间的摩擦，使得切削温度很高，工件上形成不均匀的温度分布，产生热应力，切削后已加工表面层冷却，表层金属体积收缩受阻，形成残余拉应力；切削区附近的高温可能导致表层金属发生相变，引起体积变化，形成残余拉应力或压应力卜51。在难加工材料的切削过程中存在严重的机械应力和热应力，当切削条件变化时，加工残余应力的来源也随之变化，可能在工件表面形成不同状态的残余应力№l。加工残余应力带来了一系列潜在危险，影响着零件使用过程中的裂纹形成与扩展、疲劳破坏、蠕变破坏及零件寿命等，对零件的安全和性能均具

5、有重要影响【7】。残余压应力有助于改善零件的疲劳寿命、蠕变寿命、抵抗裂纹扩展的能力等，而残余拉应力则与之相反【6】。因而，对于需获得高可靠性的关键结构零部件来说，残余应力是非常重要的用于评估已加工表面质量的实际参数，而镍基高温合金在航空航天领域的应用正是如此。关于镍基高温合金切削加工残余应力的研究，主要集中于揭示切削条件与残余应力之间的关系。在这些研究中，切削条件大致可以分为以下几类：不同的切削用量、不同的冷却和润滑条件、刀具几何参数与刀具磨损。Cai等嘲研究表明，当铣削速度从20m／min增加到80m／min时，工件表面的残余拉应力迅速增大

6、。Amnachalam等【91发现，CBN刀具产生的残余应力对切削速度的变化很敏感，以150。225m／min端面车削镍基高温合金Inconel718后工件表面形成残余压应力，而切削速度为300。375m，min时工件表面形成残余拉应力。schlauer等【删用陶瓷刀具以切削速度10IIl，min、410m／min、810m／min和进给量0．01mm，r、0．06mm，r、O．11mm，r正交切削镍基高温合金，当切削速度为10m／min、进给量为0．06mm／r时工件表面产生小的残余压应力；当切削速度为410IIl／min、8l‰／min时

7、，在工件表层存在一个残余拉应力的薄层，已加工表面上的残余拉应力最大。工件次表层为残余压应力区域，该残余压应力层的厚度数倍于拉应力层的厚度。Sharman等【111的镍基高温合金Inconel718车削试验显示，随着进给量增加，表面残余拉应力增大。Pusavec等”2】研究发现，与微量润滑和干切削相比，在低温冷却条件下车削镍基高温合金Inconel718时，表面粗糙度下降，残余压应力增加，残余压应力层也随之增厚。Devillez等”∞采用涂层硬质合金刀具以切削速度40—80m，min在干切削和添加冷却液两种不同条件下车削Inconel718，结

8、果表明在相同速度下干切削时表面残余拉应力更大。AspinwaU等”4】研究显示，顺铣Inconel718时，当刀具磨损时，工件表面残余拉应力增大，而且随着刀具磨损量