切削用量对镍基高温合金GH4169表面粗糙度试验研究*

梁军华，赵松涛，李小强

(1.四川工程职业技术学院 机电工程系，四川 德阳　618000；2.西南交通大学 机械工程学院，成都610031)



切削用量对镍基高温合金GH4169表面粗糙度试验研究*

梁军华1,2，赵松涛1，李小强1

(1.四川工程职业技术学院 机电工程系，四川 德阳618000；2.西南交通大学 机械工程学院，成都610031)

摘要：文章在单因素条件下进行了车削GH4169的表面粗糙度试验，得到了切削用量(切削速度、进给量、背吃刀量)的改变对表面粗糙度Ra、Rmr(c)的影响规律，分析了所导致表面粗糙度变化的原因。试验结果表明：表面粗糙度值Ra的影响程度从大到小依次为进给量、切削速度和背吃刀量。Ra值随着进给量的增加呈线性增大，Ra值随着切削速度增大呈先减小后增大，Ra值随背吃刀量的增加而缓慢增大。背吃刀量对粗糙度轮廓的支承长度率Rmr(c)的影响最大，切削速度次之，进给量影响较小。

关键词：车削；GH4169；切削用量；表面粗糙度

0引言

镍基高温合金因具有工作温度高、抗氧化、热腐蚀性好等优良特性被广泛应用于航空、航天领域，是制造航空航天涡轮发动机、燃气轮机轮盘、工作叶片、导向热片和燃烧室等重要零部件材料[1]。

国产牌号GH4169(相当于美国牌号Inconel718)是使用量最大的镍基高温合金之一，属于典型的难加工材料，加工过程中加工硬化严重、切削力大、刀具磨损剧烈、切屑粘刀、切削温度高和切削变形大等一系列问题，使得产品表面质量不易保证和加工精度不稳定[2]。

国内外学者对镍基高温合金GH4169的切削加工性能进行了相关研究。Liao和Shiue研究了P20和K20两种不同类别硬质合金刀具的磨损机理，当切削速度为vc=35m/min时，切削温度达到1000℃；P20刀具的磨损不均匀，沟槽和后刀面磨损比K20刀具要严重的多[3]。在湿切削状态下，用PVDTiN、TiCN和TiAlN三种涂层硬质合金刀具车削Inconel718时，TiAlN和TiCN涂层刀具的切削性能优于TiN涂层刀具[4]。

Thakur等对使用硬质合金K20刀具高速车削Inconel718时产生的切削力进行了研究，当切削速度介于45～55m/min之间时，在f=0.08mm/r表面质量获得最佳值[5]；R.T.Coelho等人在2004 年也进行了镍基高温合金Inconel718 高速切削实验，研究了不同刀片形状不同刀具材料对表面质量、切削温度和刀具磨损的影响[6]。

Darwish分别使用陶瓷刀具和CBN刀具切削Inconel718研究切削参数对Inconel718加工表面粗糙度的影响规律[7]；Alauddin等使用非涂层硬质合金刀片立铣加工Inconel718，采用响应曲面法建立了表面粗糙度数学模型[8]。山东大学黄雪红、赵军用PVD涂层硬质合金刀具高速车削Inconel718，研究了进给量、切削深度、切削速度和后刀面磨损量对表面粗糙度的影响规律[9]。

1试验条件

(1)试验车床：C620-1普通车床，1200r/min以下无级调速。

(2)试验刀具：试验选用美国Kennametal公司生产的PVD涂层硬质合金刀具KC5510型号为SNGG120408FS，刀杆型号为MCLNR2525M12，刀具几何参数详见表1。

表1　试验用刀具几何参数

(3)试验材料：GH4169镍基高温合金，规格：φ60×70mm；其化学成分与机械性能分别如表2和表3所示。

表2　GH4169典型的化学成分/%

表3　GH4169常温时力学性能

(4)表面粗糙度测量系统，使用上海泰明光学仪器有限公司生产的JB-5C粗糙度轮廓仪，如图1所示。

图1　表面粗糙度测量系统

2试验内容及结果

根据国家标准[9]，规定采用中线制(轮廓法)评定表面粗糙度，Ra是指轮廓的算术平均偏差，Rmr(c)是指粗糙度轮廓的支承长度率，相当于旧标准中形状特征参数tp。

本试验采用单因素方法对GH4169进行干切削，参考文献[10]的研究方法，研究切削用量(切削速度vc、进给量f、背吃刀量ap)对表面粗糙度Ra、Rmr(c)的影响规律。

2.1切削速度vc的改变对表面粗糙度的影响

表面粗糙度Ra随切削速度改变的变化规律如图2a所示，其中f=0.15mm/r，ap=0.20mm，vc分别取30、50、70、90和110m/min。

图2　Ra、Rmr(c)随切削速度vc的变化规律

从图2a可知，当切削速度在30～110m/min之间变化时，表面粗糙度Ra值随着切削速度增大呈先减小后增大趋势，Ra变化幅度在0.4μm左右，在速度为90m/min时Ra值最小(0.7μm)。

当vc在30～90m/min之间时，切削速度较低时在刀具前刀面形成了积屑瘤和鳞刺，已加工表面粗糙度值较大，随着车削速度的提高，积屑瘤和鳞刺等缺陷逐渐减少甚至消失，粗糙度值逐渐减小。当vc在90～110m/min之间时，随着切削速度的增大，切削温度升高，刀具后刀面磨损加剧，同时易出现切屑与加工表面之间的粘结，在剪切分离的过程中部分已加工表面的工件材料被切屑带走或部分切屑粘结在已加工表面，导致表面粗糙度增大。

2.2进给量f的改变对表面粗糙度的影响

表面粗糙度Ra随进给量f改变的变化规律如图3a所示，其中vc=50m/min，ap=0.20mm，f分别取0.10、0.15、0.20、0.26和0.33mm/r。

理论残留面积高度差为Rmax，则有：

进给量影响着工件表面残余几何面积的大小，因此直接影响到表面粗糙度大小，增大进给量就增大了切削残留面积。

从图3a可知，当进给量在0.10～0.33mm/r之间变化时，表面粗糙度Ra值随着进给量的增加呈线性增大。在进给量f<0.15mm/r的情况下，切削厚度也比较小，工件上的残留高度以及切削力、切削振动等也比较小，Ra值随进给量的变化不是太大。在进给量f>0.15mm/r的情况下，Ra值随进给量的变化显著。

图3　Ra、Rmr(c)随进给量f的变化规律

2.3背吃刀量ap的改变对表面粗糙度的影响

表面粗糙度Ra随背吃刀量ap改变的变化规律如图4a所示，其中vc=50m/min，f=0.22mm/r，ap分别取0.10、0.20、0.30、0.40和0.50mm。

图4　Ra、Rmr(c)随背吃刀量ap的变化规律

从图4a可知，当背吃刀量在0.10～0.50mm之间变化时，表面粗糙度Ra值随背吃刀量的增加而增大，背吃刀量的增大，切削力变大，切屑与刀具前刀面挤压严重，材料容易发生粘结。

2.4切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap的改变对粗糙度轮廓的支承长度率Rmr(c)的影响

粗糙度轮廓的支承长度率曲线表明了粗糙度轮廓在高度方向支承面积的变化规律。表面粗糙度的轮廓形状和加工纹路方向对已加工表面的耐磨性能有显著的影响。

不同加工方法产生的表面轮廓尽管Ra值可能相同，但由于表面轮廓形状的差异，使零件间的润滑油的存留情况和实际接触面积发生了很大变化，已加工表面的耐磨性能就相差甚远。

从图2b、图3b和图4b可知，切削速度、进给量和背吃刀量的改变对表面粗糙度Rmr(c)的影响规律不同，影响程度从小到大依次为进给量、切削速度和背吃刀量。

3结束语

本文阐述了国内外学者对镍基高温合金GH4169的切削加工性能进行了相关研究，在本文实验条件下，由试验结果分析可知，可得以下两个结论：

(1)进给量对表面粗糙度值Ra的影响显著，Ra值随着进给量的增加呈线性增大；切削速度次之，表面粗糙度Ra值随着切削速度增大呈先减小后增大趋势；背吃刀量影响较小，随背吃刀量的增加而缓慢增大。

(2)切削速度、进给量和背吃刀量的改变对粗糙度轮廓的支承长度率Rmr(c)的影响规律不同，Rmr(c)的影响程度从小到大依次为进给量、切削速度和背吃刀量。

[参考文献]

[1] 刘鑫源.镍基高温合金高效切削加工质量控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[2] 李安海，赵军，王泽明，等.高速侧铣镍基合金Inconel718切削力试验研究[J].组合机床与自动化加工技术，2010(10):75-78.

[3]LiaoYS,ShiueRH.CarbidetoolwearmechanisminturningofInconel718superalloy[J].Wear.1996，193(1)：16-24.

[4]JindalPC,SanthanamAT.PerformanceofPVDTiN,TiCNandTiAINcoatedcementedcarbidetoolsinturning[J].IntemationalJoumalofRefractoryMetalsandHardMaterials.1999(17)：163-170.

[5]ThakurDG.StudyonthemachinabilitycharacteristicsofsuperalloyInconel718duringhighspeedturning[J].MaterialsandDesign.2008,7(11)：1-6.

[6]RTCoelho,LRSilva,ABraghini,eta1.SomeeffectsofcuttingedgepreparationandgeometricmodificationswhenturningINCONEL718TMathighcuttingspeeds[J].MechanicalEngineer,2004：12-15.

[7]SMDarwish.Theimpactofthetoolmaterialsandcuttingparametersonsurfaceroughnessofsupermet718nicklsuperalloy[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology,2000，97：10-18.

[8]MAlauddin,eta1．OptimizationofsurfacefinishinendmillingInconel718[J]．MaterialsProcessingTechno-Logy,1996(56)：54-65.

[9]GB/T1031-2009，《产品几何技术规范(GPS)表面结构 轮廓法 表面粗糙度参数及其数值》[S].北京：中国标准出版社，2009.

[10] 黄雪红.镍基合金Inconel718高速车削摩擦磨损行为研究[D].济南：山东大学，2009.

(编辑李秀敏)

文章编号：1001-2265(2016)07-0038-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.011

收稿日期：2016-02-14；修改日期： 2016-03-07

*基金项目：四川工程职业技术学院2015年度科研项目(YJ2015KY-09)；2015年度德阳市科技支撑计划项目(JYCC20150035)

作者简介：梁军华(1984—)，男，四川遂宁人，西南交通大学博士研究生，研究方向为智能化状态监测与故障诊断技术，(E-mail) 986014733@qq.com。

中图分类号：TH161；TG506

文献标识码：A

Experiment Investigation of Surface Roughness during Turning Superalloy Inconel GH4169 withDifferentCuttingParameter

LIANG Jun-hua1,2,ZHAO Song-tao1,LI Xiao-qiang1

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China;2.School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Abstract：Effect of cutting parameter on surface roughness is investigated when turning superalloy Inconel GH4169.The influence regularity of surface roughness is obtained when cutting parameter is changing.The cause of surface roughness between different cutting parameter is analyzed comparatively.The result of the experiment indicates that with the three types of cutting parameter,feed rate has much larger effect on Ra of surface roughness, cutting speed has a large effect on Ra of surface roughness, while the effect of cutting depth is less.The Ra value increased linearly with the feed,The Ra value decreases and then increases with the increase of the cutting speed,The Ra value increases slowly with the increase of cutting depth.The effect of cutting speed on material ratio of the roughness profile is more than feed rate,and cutting depth exerts more influence.

Key words：turning;GH4169;cutting parameter;surface roughness