高速铣削参数对镍基激光熔覆合金表面粗糙度和残余应力的影响

周俊，舒林森，2

1陕西理工大学机械工程学院；2陕西省工业自动化重点实验室

1 引言

镍基激光熔覆合金材料具有高强度、耐腐蚀和疲劳性能优等特点，近年来被广泛应用于汽车制造、煤矿开采及石油化工等领域[1]。然而，金属零件经过激光熔覆后表面粗糙度和几何精度较低，必须通过机械加工才能满足使用要求。高速铣削加工具有加工效率高、铣削力低、加工几何精度和表面质量高等特点[2-4]。目前，国内外学者对激光熔覆成形零件铣削加工工艺方法的研究相对较少，严重影响了激光熔覆技术的发展。

近年来，激光熔覆技术在各领域中的应用愈加广泛，因此，国内外学者针对激光熔覆形成的高温合金涂层开展了机械加工方面的研究。王涛等[5]研究了激光熔覆TC4钛合金加工轨迹对表面形貌的影响，结果表明，铣削加工路径与激光扫描轨迹方向垂直时，铣削表面形貌较好。Nespor D.等[6]研究了铣削加工工艺参数对激光熔覆TC4钛合金表面粗糙度的影响。Huang Peng等[7]研究了不同冷却方式对激光熔覆钛合金切削加工性能的影响。张立峰等[8]对激光熔覆Ti-6Al-4V高速铣削的切削力进行了实验研究，发现铣削参数中的每齿进给量和铣削深度对切削力影响最显著。白海清等[9]研究分析了小直径麻花钻的钻头直径以及钻削参数对304不锈钢熔覆件钻削性能的影响规律。Zhao Y.等[10，11]分析了激光熔覆层端铣削和侧铣削时的切屑形貌和加工振动。

激光熔覆增材制造镍基合金高速铣削参数对表面质量的影响鲜有报道。因此，本文对镍基激光熔覆合金高速铣削表面粗糙度和残余应力进行分析，探究主轴转速、每齿进给量和铣削深度对表面质量的影响规律，为激光熔覆合金高速铣削过程中的参数优化和表面质量控制提供试验依据。

2 实验原理及方案

2.1 镍60激光熔覆试样制备

实验所用的熔覆基材为Q690，尺寸为100mm×80mm×30mm。熔覆前对试件进行预处理，去除表面油污和氧化层等杂质，再用丙酮将试件清洗干净并干燥。熔覆粉末为Ni60合金粉末，化学成分如表1所示。熔覆方式采用环形同轴同步送粉。试验前对粉末进行烘干处理，防止粉末相互黏结，影响最终成形质量。

表1 Ni60合金粉末化学成分 (wt.%)

在激光熔覆成形试件制备中保护气体采用99.99%纯度的工业氩气。熔覆工艺参数为激光功率2400W，扫描速度24mm/s，送粉速度1.8r/min，离焦量0mm，搭接率50%，弓字型扫描路径，逐层堆积制备3块40mm×30mm×3.5mm的镍基合金激光熔覆涂层，熔覆成形系统如图1所示。镍基合金熔覆层成形表面质量较好，各熔覆层、相邻熔覆道之间搭接紧密，熔覆层与基材结合紧密。由于激光熔覆试件表面粗糙，因此在铣削试验前对试件进行粗铣基面，使其表面光滑平整。粗铣表面后的铣削实验试件如图2所示。

图1 激光熔覆成形系统

图2 粗铣后的实验试件

2.2 铣削加工实验系统及方案设计

铣削实验设备是德玛吉DMU50五轴加工中心，该机床主轴最高转速14000r/min，主轴驱动功率为23kW。铣削刀具选用瓦尔特直径8mm的直柄整体硬质合金四齿立铣刀，为减少加工过程中切削热及冷却液对表面质量及加工性能的影响，采用顺铣干切削方式进行实验。铣削实验系统如图3所示。

图3 铣削实验系统

采用单因素实验法研究切削深度、进给量和主轴转速对表面质量的影响。为了提高加工表面质量，综合考虑机床和刀具性能，选取如表2所示的实验参数。

2.3 表面检测方案

本次实验工件表面粗糙度采用接触式粗糙度测量仪进行检测，铣削加工试样平面时，受铣刀切入切出以及边缘处断续切削的影响，平面各处的铣削表面质量并不相同，故在整个铣削平面内随机选取5个点测定表面粗糙度值，并求出平均值用以绘制粗糙度变化曲线。残余应力采用DST.17高分辨应力分析仪进行测量分析，将铣削加工后的工件冷却至室温并放入超声波清洗机中清洗，每组实验随机选取3处进行测量并求取平均值。

表2 铣削实验参数

3 实验结果及分析

3.1 切削用量对表面粗糙度的影响

表面粗糙度会影响工件的耐磨性，而切削用量是影响表面粗糙度的主要因素。图4为切削用量对表面粗糙度的影响规律，其中，图4a是主轴转速S=8500r/min，进给量F=1800mm/min条件下粗糙度Ra随铣削深度ap的变化曲线。可以看出，随着切削深度的增大，表面粗糙度值也在增大，这是由于切削深度增大，单位时间内材料去除率升高，导致切削力增大，工件表面残留高度增加，从而使得已加工表面粗糙度值随之增大。

图4b是主轴转速S=8500r/min，铣削深度ap=0.05mm条件下粗糙度Ra随进给量F的变化曲线。可以看出，表面粗糙度随进给量的增大而增大，当进给量小于1500mm/min时，表面粗糙度值变化不显著；当进给量继续增大时，表面粗糙度值由0.259μm增大至0.318μm，变化幅度明显。说明进给量较小时表面粗糙度值较小，表面质量较好；当进给量增大到一定程度时对表面粗糙度值影响较大；进给量增大导致铣削力也增大，铣削过程中刀具的振动随之增大，因而表面粗糙度随着进给量的增大而增大。

(a)铣削深度

(b)进给量

(c)主轴转速

图4c是进给量F=1800mm/min，铣削深度ap=0.15mm条件下表面粗糙度Ra随主轴转速S的变化曲线。可以看出，表面粗糙度随着主轴转速的增大而减小；在实验参数范围内，当主轴转速为9600r/min时，此时铣削速度达到最大(301m/min)，表面粗糙度值最小(0.1636μm)。这是因为主轴转速较低时，容易产生积屑瘤，导致工件已加工表面的粗糙度值较大；当切削速度较高时，则能较好地抑制鳞刺与积屑瘤，从而降低已加工表面的粗糙度值。

3.2 切削用量对残余应力的影响

图5a为不同铣削深度对表面残余应力的影响曲线。当铣削深度由0.1mm增加至0.26mm时，残余应力值具有波动性，当铣削深度继续增大时，残余应力具有单调增大的趋势。这是因为随着铣削深度的增大铣削力变大，导致铣削温度升高，较多热量传递到工件表面，引起表面残余压应力的增大。

(a)铣削深度

(b)进给量

(c)主轴转速

图5b为不同进给量对表面残余应力的影响曲线。进给量对表面残余应力的敏感性较高，当进给量在700～1500mm/min变化时，残余应力值波动较大；当进给量继续增大至2300mm/min时，残余应力呈增大趋势。这是由于随着进给量增加，已加工面内层材料产生压缩变形，随着铣削继续，内层产生的力受到表层材料的制约，从而导致残余应力的波动变化；当每齿进给量继续增加时，已加工表面受到刀具和切屑的挤压和摩擦作用不断增强，使得残余应力也随之变大。

图5c为不同主轴转速对表面残余应力的影响曲线。可以看出，主轴转速对表面残余应力的敏感性较低，在主轴转速由8000r/min增加至8600r/min时，其表面残余应力曲线呈现出直线上升的趋势；而主轴转速在8600～9600r/min时，表面残余应力值表现为先增大后减小的趋势，且始终围绕着600MPa上下波动。这是因为在铣削加工过程中铣削变形力相对稳定，导致刀具与切屑对加工表面的摩擦力比较稳定，进而使得主轴转速对表面残余应力的影响较小。

4 结语

(1)本文采用单因素实验法对镍基熔覆合金进行了平面铣削试验，研究了铣削用量(铣削深度、进给量及主轴转速)对铣削表面质量的影响，得到了表面粗糙度和残余应力的变化规律，对镍基熔覆合金铣削加工表面质量的控制具有一定借鉴意义。

(2)高速铣削镍基熔覆合金时，表面粗糙度随着切削深度和进给量的增大而增大，随着主轴转速的增大而减小。因此，要提高加工表面粗糙度需要选择较高的主轴转速和兼顾铣削效率的铣削深度和进给量。

(3)高速铣削镍基熔覆合金时，表面残余应力对铣削深度和进给量较为敏感，而对主轴转速的敏感性较低。残余应力随铣削深度和进给量的增大呈现增大的趋势；主轴转速对表面残余应力值影响较小，在实验参数范围内其值始终围绕着600MPa上下波动。