微铣削单晶高温合金切屑去除机理和实验研究

高 奇 郭光岩 靳 泼

(辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001)

单晶高温合金材料制造的微型结构/零件结合了微型特征和高温合金材料的耐高温性能，被广泛应用于需要耐高温的工作环境中[1]。单晶高温合金材料的切削应力大、切削温度高、加工硬化严重[2]，材料的去除机理区别于多晶材料。切削产生的切屑及毛刺严重影响工件的表面质量，是典型的难加工材料[3]。目前，针对锯齿切屑的研究主要基于绝热剪切理论[4-5]。Kumanchik L M[6]在考虑齿面摆线运动、齿距不均匀的情况下，给出了铣削过程中切屑厚度的解析表达式。Li B[7]研究了AISI H13钢硬铣削过程中锯齿切屑的形成过程，AISI H13钢硬铣削过程中锯齿形切屑的形成机理主要是绝热剪切伴随周期性裂纹的形成，有利于切分程度的提高。殷继花[8]分析了航空铝合金高速铣削锯齿形切屑的形成过程及机理，提出考虑剪切带宽度变化的三阶段锯齿形切屑形成模型。倪陈兵[9]对超声辅助铣削和普通铣削进行对比研究，证明超声铣削的切屑形态和力学信号具有独立特征，质量明显改善。李阳等[10-11]进行了刀具刃圆半径对切屑的影响机理的分析和实验研究，得出切削速度是影响切屑形态和表面形貌的直接因素。

大多数学者的研究对象均为硬质碳钢和合金等多晶材料，对于单晶高温合金的研究较少，基于材料去除机理的切屑形成过程未见报道。因此本文采用微铣削刀具对单晶镍基高温合金DD98进行微铣削实验，观察切屑形貌，揭示单晶材料切屑的去除机理，建立单晶材料的去除理论模型，对切屑锯齿化程度的相关影响要素进行了分析。

1 实验设计

(1)为保证微铣削零件具有较好的质量，微加工机床要求具有较高的转速以获得较大的切削速度，并且具有较高的定位精度和加工精度。本实验采用巨蟹JX-1A精密微加工机床，可根据不同需求实现微小特征的平面及复杂曲面的加工，如图1所示。

(2)实验材料为中科院材料研究所研制的第二代单晶镍基高温合金DD98，通过ULTRA-PLUS 场发射扫描电子显微镜进行合金组织观察，如图2所示。

(3)微铣削刀具采用M.A.Ford公司生产的硬质合金立铣刀，直径0.6 mm，刃长1.8 mm，总长38 mm，刀尖钝圆半径0.93 μm，无涂层。硬度达HRA 89～93，能耐850 ℃～1 000 ℃的高温，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。

2 微铣削切屑形态研究

单晶微细铣削机理区别于宏观切削机理，产生了较大的变化，在形成切屑过程中产生的一些物理现象如刀具的磨损、切削力的突变、毛刺的形状等问题，都同微切削过程有关，切屑的形成机理一直是微切削机理研究的重点之一。对于单晶高温合金这类难加工材料能够在高温条件下保持较高的强度和硬度，在切削过程中，切削力大，切削温度高，会产生较大的塑性变形，较小的切屑不易产生大量的宏观连续切屑。随着切削速度的提高，剪切变形区越来越窄，形成集中剪切滑移，最终切除材料为节状切屑。

2.1 单晶高温合金材料微铣削切屑形态

采用硬质合金刀具对单晶镍基高温合金DD98进行微铣削，微切屑特征尺寸极小，不易拾取，因此将扫面电镜观察用的导电胶带固定于被铣削工件旁，用于收集切屑。改变不同的进给速度，以尽可能多的收集不同形态的切屑，选取有代表性的切屑进行机理分析。如图3所示，图3a反映了微铣削过程中切屑的变形程度，微铣削切削参数小，当进给量小于刀具刃圆半径时，刀具与工件摩擦产生剧烈的不均匀变形，犁耕与划擦占主导地位，尚不能产生连续切屑，将图3a左上角碎末切屑定义为挤出切屑，当进给量大于刃圆半径时，被铣削工件材料的有效流动应力增大，随着切削的进行，使流动应力大于材料的断裂强度，产生完整的连续的微观节状切屑。

其中切屑摩擦前刀面部分形成切屑内表面，滑动量小，相对光滑，外表面隆起产生每节梯形切屑状，整体切屑表面呈锯齿状，如图3b所示。根据切屑的形态将刀具端刃处切除的材料切屑定义为非自由端，刀具侧刃切除的材料切屑定义为自由端，由图3b可知，切屑的非自由端相对光滑，而自由端呈开裂状。这是因为在瞬时的切削过程中，由于微铣削刀具的刃径小，切屑的流动速度小于刃径的切削速度，切屑的非自由端受到底面表层的阻力抑制了毛边的角度，未产生较大开裂。切屑受刀具前刀面的强烈摩擦作用，加之材料的低导热性，切屑流动受到阻力并趋向自由端流动，较高的应变速率造成了加工硬化，因此出现自由端的开裂毛边现象。

单晶DD98化学活性高，刀尖处容易和切削材料发生反应，已加工表面的弹性回复大，造成后刀面挤压摩擦严重，因此对图4a切屑内表面进行能谱分析，如图4b所示，检测元素化学成分如表1所示。

表1 能谱检测点质量分数 %

从微铣削切屑能谱图检测的元素成分看，在切屑表面多了9.96%的C，为硬质合金刀具元素，证明发生了元素的扩散磨损，使切屑产生了硬化作用，作为工件材料的主要元素Ni含量降低到52.19%，为刀具微刃切削工件的划擦所致，在切屑表面清晰可见划痕，为刀具颗粒摩擦所致。

2.2 单晶高温合金切屑去除机理

根据微铣削单晶镍基高温合金DD98产生的图3b所示切屑形态，建立如图5所示的切屑形成理论示意图。区别于宏观切削，微铣削模式下的扩展剪切带是切屑底部非自由端不断划擦形成的曲线扩展带，当切屑节完全形成后脱离未切削材料基体，进而产生塑性失稳。单晶高温合金微细铣削产生的切屑为不连续锯齿状特征，这是由于铣削材料过程中，主剪切区发生热性失稳，即单晶高温合金较差的导热性造成局部升温导致的热软化效应超过了变形强化效应而发生了绝热剪切现象，同时微铣削条件下，刀具直径小，切屑与刀具前刀面接触长度短小，刀尖引起较大的应力。随着刃齿进给，切屑节块单元发生剪切滑移，材料受剪切应力超过了材料的屈服极限，在剪切面上塑性失稳，形成第一节切屑，并沿前刀面向上推进，随之产生第二节切屑，相邻切屑在集中剪切带上相对滑移，第一节切屑形成过程全部完成。滑移带即是节状单元连接处，随即后续的切屑不断推进，切削力再次增大，造成循环的塑性失稳，产生锯齿形的集中剪切滑移切屑。

目前关于锯齿形切屑更多的理论支持为考虑热-力耦合作用的绝热剪切理论，Komandrui R[12]是最早提出绝热剪切理论的学者之一，并用此理论解释高速切削过程产生的锯齿形切屑现象。热塑性失稳解释绝热剪切，即塑性应变硬化和绝热温升导致的热软化两者之间的平衡消长，当塑性应变硬化超过绝热温升的热软化时，材料为稳定的塑性变形阶段，当绝热温升的热软化作用超过塑性应变硬化的时候进入非稳定塑性阶段，也就是说绝热剪切带是热软化作用克服了应变硬化作用而产生的。在热力耦合作用下应力开始时随应变线性增长，当应力到达一定值后，应力达到最大，随后应力急速下降，发生剪切失稳。考虑应变、应变率、和温度的影响，单晶DD98热粘性材料本构方程在二维剪切情况符合下式。

(1)

通过热-力耦合作用下的失稳分析，当发生绝热剪切的临界条件可表示为：

(2)

即有：

(3)

2.3 切屑锯齿化程度分析

单晶DD98在微铣削过程中，工件处于高温、大应变下发生弹塑性变形，在较小的进给参数条件下，被铣削的金属材料在刀具的作用下变成切屑的时间非常短，被铣削的金属层各处的应变、应变速率和温度不均匀分布且梯度较大。通过相应分析可知，微铣削切屑的锯齿形内部节状单元状态与切削速度紧密相关，设定加工参数为：刀具直径0.6 mm，主轴转速依次为12 000 r/min, 24 000 r/min, 36 000 r/min, 48 000 r/min, 60 000 r/min, 对应切削速度依次为：377 mm/s, 754 mm/s, 1 130 mm/s, 1 508 mm/s,1 884 mm/s，进给速度60 μm/s，铣削深度为10 μm，通过SEM观察切屑形貌，如图6所示。

由图6a所示切削速度为377 mm/s时，切削速度较低，单晶DD98微铣削锯齿形切屑并不明显，挤压痕较明显，切屑状态不连续，当切削速度高于754 mm/s时，如图6b所示锯齿形切屑特征开始显现，锯齿的密集化程度较大，随着切削速度的继续增大，单晶DD98微铣削锯齿形切屑内节状单元宽度减小，锯齿产生的频率随着切削速度的增大而升高，如图6d所示每个切屑内部的节状单元基本保持一定的大小。原因为切削速度的提高导致工件材料的应变率增加，切削温度升高，导致的热软化效应降低了DD98材料的脆性，使工件材料更易产生绝热剪切变形。在这里发现，微铣削单晶高温合金材料在低于宏观的高速切削速度条件下也产生了绝热剪切变形，即微铣削条件下较大的应变率和切削热导致了锯齿形貌切屑的产生。

3 结语

(1)获得了微铣削单晶材料的切屑去除形态，当进给量大于刃圆半径时，被铣削工件材料的有效流动应力增大，产生完整的连续的微观节状切屑。

(2)对微铣削后的切屑形貌进行了SEM分析，在此基础上建立了单晶材料的切屑去除理论模型。

(3)完成了单晶高温合金的切屑锯齿化程度分析，锯齿产生的频率随着切削速度的增大而升高，微铣削单晶高温合金材料在低于宏观的高速切削速度条件下同样产生了绝热剪切变形。