面向GH4169高溫合金高效精密加工的超聲振動銑削工藝研究，結合仿真預測與試驗驗證，確定最優切削參數組合，為航空發動機高溫合金構件低損傷低應力高質量數控加工提供理論與技術依據

GH4169高溫合金是一種高合金化的Ni基時效合金,Cr為主要合金元素,同時采用Co、W、Mo、Al、Ti、Nb、Mg、B等元素進行綜合強化[1-3]。因其在高溫、超高溫條件下具有良好的高溫力學性能和抗高溫氧化能力,長期服役于溫度范圍在650℃~1000℃的環境中，主要作為航空發動機零部件、燃氣輪機葉片及航空發動機渦輪盤等需要耐高溫和耐腐蝕性能零部件的關鍵材料。由于高溫合金具有強度高、熱導率低、塑性高和韌性大的特點，因此在切削加工時會面臨切削熱高與切削力大的挑戰，材料內部易產生加工硬化現象，刀具亦會發生磨損、黏結和擴散等多種形式的磨損，進而嚴重影響刀具使役壽命，最終降低成型件加工質量[6-7]。

銑削方式對切削溫度、切削力和材料表面質量等因素具有重大影響，超聲輔助銑削(UAM)是一種通過超聲波給刀具施加高頻振動，從而實現微觀上刀-屑分離的加工技術[8]。通過超聲波的高頻振動，可以降低切削阻力、提高加工精度和表面質量,同時延長刀具使用壽命[9-11]。對于UAM的加工,近年來國內外學者對其展開大量的研究。AZARHOU等[12-13]通過使用超聲振動輔助鉆削的加工方式對鎳基高溫合金Inconel738-LC進行了試驗研究，并與常規鉆削方式進行對比。研究發現，在超聲振動加工下的孔，其圓度、圓柱度、孔外徑和表面粗糙度都被不同程度地優化，從而顯著提高了加工質量。肖強等[14]也通過建立超聲振動銑削鎳基高溫合金的銑削力模型，仿真分析銑削力與超聲振動的頻率、振幅之間的關系，并進行試驗驗證。結果表明:使用超聲振動輔助銑削后，在一定范圍內，隨著超聲波頻率和振幅的增大，銑削力減小，試件切削痕跡平滑、表面形貌圓潤，顯著改善了加工表面質量。Maurotto等對AlSi316L材料在40kHz~60kHz超聲頻率輔助下銑削與常規銑削相比研究，超聲振動輔助銑削有效改善表面質量、降低殘余應力倪陳兵也對鈦合金進行超聲輔助銑削和傳統銑削的對比研究[16],研究結果表明:超聲振動可以降低銑削力峰值,使切削力相比傳統銑削降低60%左右;超聲輔助振動銑削后的已加工表面形貌也比傳統銑削有明顯提高。

綜上所述，因此探究GH4169不同銑削方式下對切削溫度、切削力和材料表面質量的影響規律至關重要。國內外學者通過試驗已經驗證超聲輔助加工在車削、鉆孔高溫合金與銑削其他金屬等方面提供了更好的性能，但是在銑削高溫合金方面較為缺少系統性的規律總結。本文首先利用ABAQUS仿真軟件進行切削仿真,分別建立常規切削與超聲振動輔助切削方式下的二維有限元模型,通過理論模擬仿真超聲振動在切削性能上的優勢。其次過正交試驗驗證超聲振動輔助銑削方式下銑削參數對切削溫度、切削力和已加工表面質量的影響，為高溫合金GH4169的實際加工提供了理論支撐和技術指導。

1、有限元仿真模擬

1.1模型建立

在軟件ABAQUS上建立二維銑削仿真模型,通過此模型的模擬,重點關注超聲振動輔助切削對比常規切削時性能的變化規律。建立刀具及工件模型，刀具為二維平面刀具，前角3°,后角5°。工件尺寸長4mm高1.5mm,底端固定。建立溫度-位移耦合分析步，并對刀具和工件劃分網格，如圖1所示。網格單元類型為CPE4RT:四結點熱耦合平面應變四邊形單元,網格細化區域深度為0.6mm。

1.2材料本構和損傷準則

為了模擬材料去除和切屑分離，需提供材料的流動應力模型作為應變、應變率和溫度的函數。流動應力與應變、應變率和溫度之間的關系由數學關系(本構方程)定義。材料本構模型是成功模擬切削過程的最重要因素，且是仿真計算中的核心問題之一，不同的本構模型參數會對模型產生不同的影響。J-C模型[17]于1983年提出后備受關注，其主要應用于金屬材料在大變形、高應變率、高溫條件的本構模型。而材料的切削過程就是一個在高速情況下的變形響應，J-C本構模型可描述應變、應變率和溫度三者的耦合對應力的影響,其表達式(1)如下所示。

式中:p為等效塑性應變率; ε p 為等效塑性應變; σ為等效流動應力;po為準靜態塑性應變率;T、T、Tm分別為瞬時溫度、環境溫度、工件材料的熔點溫度;A、B、C、n和m為材料常數，具體數值,見表 1 [18]。

表1 GH4169J-C本構模型參數

工件材料切屑的分離準則可以表現出切削過程的物理本質。當材料的溫度和應變率增加時,材料失效的可能性也會隨之增加。本文采用了 J-C斷裂準則 [18],該準則適用于材料在高速高壓下的變形,綜合考慮了應變、應變率、應力和溫度對切削過程的影響。公式的表達為式(2)、式(3), D1-D5參數,見表 2。 G H4169的其他性能參數,見表 3 [19]。

表2 GH4169J-C斷裂準則參數

表3 GH4169其他性能參數

1.3仿真參數設置

各組仿真切削參數見表4。模擬不同切削參數在常規切削和超聲振動切削下的切削性能,常規切削仿真為 CM1、CM2、CM3,超聲振動仿真切削仿真為 UAM1、UAM2、UAM3。超聲振動仿真切削參數與常規銑削相同,分別在工件的 X方向(切削速度方向)和 Y方向(切削深度方向)賦予簡諧振動的幅值函數,其中頻率 f =  10kHz,縱向振幅 A =  1μm、橫向振幅B=1μm初始相位角為β=90°。

表4仿真參數

1.4仿真結果分析

1.4.1應力場、溫度場仿真

如圖2所示,為隨機整個時間段工件位移曲線,工件的振動頻率在 10kHz,振幅在 1μm,與設置的超聲振動參數完全吻合。如圖 3所示,為仿真切削過程中的應力場云圖(CM3、UAM3)。

通過分析發現，切削過程中在第一變形區產生了應力集中,這是由于切削時發生了剪切滑移變形所導致的。在超聲振動切削過程中,由于刀具在切削方向上存在超聲振動,因此切削是斷續進行的。在一個振動周期內,刀具只有部分時間在有效切削，其切削過程分為刀具切削退出過程以及刀具切削進入過程。在一個周期內，刀具以極高的峰值速度沖擊材料,最大Mises應力分布于剪切區。隨后速度減緩,導致最大Mises應力值下降。隨后速度進一步降低至退刀。完成退刀后，刀具再次沖擊切屑，并循環進行。

超聲振動的應力集中區域明顯低于常規切削，這是因為振動切削能夠改變切削過程中材料的應變行為，降低切削過程中的流動應力，從而改善加工效果和工件的加工質量。超聲振動對切削區域的應力有一定影響，可以在一定程度上減少切削過程中產生的應力。如圖3兩種切削方式下應力云圖分布。常規切削的最大應力為2197MPa,而超聲振動切削在刀具切入工件階段時，由于工件第一變形區受到擠壓，其最大應力為2213MPa高于常規切削。而在刀具速度減緩至退刀階段(卸載過程)及再次切入階段的最大應力均低于常規切削。

統計刀具速度減緩至退刀階段最大應力結果與常規切削最大應力結果后發現，UAM1對比CM1下降1.5%，UAM2對比CM2下降1.9%,UAM3對比CM3下降4.4%,如圖5(a)所示。

如圖4所示，為CM3、UAM3仿真切削的最大溫度結果。通過觀察發現施加超聲振動后切削區最大溫度會明顯降低，如圖5(b)所示UAM1對比CM1下降3.5%,UAM2對比CM2下降11.9%，UAM3對比CM3下降14.2%。主要原因為超聲振動切削的振動作用使得刀具與工件頻繁的分離,分離是沒有進行切削，振動切削刀具的高頻振動作用下，切削速度加快,切削頻率增加,使得切削區域內的熱量更快地被釋放出來。并且超聲振動切削時會使工件摩擦系數降低[20],摩擦熱會相應減少。

1.4.2切削力

通過對刀具反力的輸出提取切削力的變化情況,如圖6所示。

通過分析發現超聲振動切削能大幅度的減小切削力。刀具與工件的周期性分離會降低加工過程中的平均切削力2]。提取各組切削力的平均值進行對比,如圖7所示。

UAM1對比CM1的切削力在X方向下降了40.9%,Y方向下降了31.5%,UAM2對比CM2的切削力在X方向下降了34.4%,Y方向下降了40.8%,UAM3對比CM3的切削力在X方向下降了15.1%，Y方向下降了50%。仿真結果表明，超聲振動切削可以減小刀具進給方向和垂直方向切削力，且通過分析仿真結果數據，最大可減小50%的切削力，最小可減小11%的切削力。

2、試驗材料與方法

2.1試驗條件

加工系統如圖8所示。

包含CNC立式加工中心、FLIR T630sc熱像儀、瑞士kistler力傳感器和Dynoware軟件構成的切削力測量系統以及數控波超聲發生器以及超聲刀柄組成的超聲振動切削系統。試驗材料為50mm6mm10mm的GH4169高溫合金，刀片為硬質合金材質，刀具為直徑12mm的單刃方肩銑刀。加工過程中使用測力儀測量系統輸出切削力，通過紅外相機實時測量切削溫度。試驗完成后，使用VHX-2000C超景深光學顯微鏡觀察工件表面形貌與刀具磨損,使用便攜式粗糙度儀測量粗糙度。

2.2試驗參數

設計了常規與超聲振動三因素三水平的正交對比試驗，進行正交分析與對比分析,常規試驗切削參數見表5,銑削寬度固定為10mm。超聲振動試驗切削參數與常規試驗相同，并在此基礎上增加超聲振動載荷。超聲波發生器提供20000Hz的超聲頻率,通過超聲刀柄轉化為振幅,振幅值為1μm,達到超聲振動銑削的效果。

表5正交試驗參數表

3、結果與討論

3.1切削力和切削溫度分析

通過分析測力儀采集的切削力原始數據如圖9所示、熱像儀采集的溫度場數據如圖10所示,得到切削力和切削表面溫度的試驗結果, F x 為徑向切削力, F z 為軸向切削力, F y 為進給切削力。提取銑刀每轉過一刃階段三個方向的切削力峰值的平均值，提取熱像儀右側圖例中的最大溫度為切削溫度，見表6、表7。

表6常規試驗切削力、切削溫度結果

表7超聲振動試驗切削力、切削溫度結果

通過分析發現，超聲振動銑削對比常規銑削切削力下降顯著，FxU5較C5下降率最高約為56%，U2較C2下降率最低約為7%。FyU5較C5下降率最高約為70%,U6較C6下降率較低約為1.8%。F2U6較C6下降率最高約為42%,U3較C3下降率最低約為4.7%。超聲振動切削的切削力下降主要原因為:切削過程中材料的降低屈服閾值，超聲振動切削可以通過振動作用改變切削區域材料的應力狀態，降低了材料的屈服極限,使材料更容易發生塑性變形,并改善了切削過程的穩定性,減小了切削區域的摩擦阻力,從而降低了切削力的大小。切削溫度下降率最高可至34%(U2)。U1至U6對比C1至C6切削溫度下降較大，分別為10%、34%、12%、14%、22%、32%，而U7、U8、U9的切削溫度下降較低。其原因在于切削速度大在切削區域產生了較高的熱量，但是在超聲振動切削過程中，由于振動作用可能會導致切削區域內的局部熱量積累，影響了切削溫度的下降。因此，超聲振動切削并不能有效降低較高切削速度的局部熱量積累。

3.2刀具磨損及已加工表面分析

使用表面粗糙度儀，如圖11所示。分別在已加工表面選取5個測試點進行測量，將測量結果取平均值得到每組試驗的表面粗糙度值。

采用VHXJ250超景深三維立體光學顯微鏡對表面形貌和刀具磨損進行檢測如圖12所示，測量數據見表8。

表8表面粗糙度及刀具磨損試驗結果

通過表面形貌觀察到，常規加工時，已加工表面出現較多的劃痕和明顯進給量的痕跡，而超聲振動切削痕跡不是很明顯，進給量痕跡被超聲振動切削痕跡所覆蓋。通過引入高頻微小振動,能夠降低切削區域的摩擦阻力,減小切削力,降低切削溫度,從而減少表面熱損傷和切削變形,提高加工表面粗糙度，且振動切削使刃具與工件之間的接觸狀態更加活化、有利于切削進給過程中切削刃具更好的接觸加工表面，減小了頂刀和被切削材料的接觸面積，有利于提高破碎切屑，從而避免了毛刺和劃痕的產生。通過數據對比發現，超聲振動銑削各組試驗在表面粗糙度和刀具磨損方面有不同程度的降低。通過數據對比常規切削如圖13所示，為各組實驗的表面粗糙度值和刀具磨損值及相應的下降率，發現表面粗糙度最多降低了49%(U4),刀具磨損值最多降低了63%(U5)。

對超聲振動的正交試驗結果進行極差分析如表9、表10所示。首先分析表面粗糙度結果。主軸轉速、每齒進給量、切削深度的極差分別為0.085、0.048、0.077,影響表面粗糙度的主次關系為主軸轉速>切削深度>每齒進給量。其參數優化為主軸轉速2500r/min,每齒進給量0.05mm/z,切削深度0.2mm。分析刀具磨損結果。主軸轉速、每齒進給量、切削深度的極差分別為55.67、73.33、56.67。影響主次關系為每齒進給量>切削深度>主軸轉速，參數優化結果為主軸轉速2000r/min,每齒進給量0.03mm/z,切削深度0.2mm。通過數據分析發現，超聲振動銑削GH4169時，不宜選用過大的切削深度和每齒進給量,否則會出現表面質量較差、刀具磨損嚴重的情況。切削深度不宜超過0.2 mm,每齒進給量不宜超過0.05mm/z。

表9表面粗糙度極差分析表

表10刀具磨損極差分析表

4、結論

在本研究中，首先重點分析超聲振動加工在切削性能和表面質量上的優勢，通過二維切削仿真得到了切削力、溫度場、應力場等數據。其次通過銑削對比試驗得到了切削力、切削溫度、刀具磨損、表面粗糙度、表面形貌等數據。通過對上述數據的深入研究得到以下結論:

(1)通過仿真分析，發現超聲振動的應力集中區域明顯低于常規切削，并在一定程度上能減少切削過程中產生的應力,通過對比發現UAM1比CM1下降1.5%,UAM2比CM2下降1.9%，UAM3比CM3下降4.4%。與CM相比，UAM的溫度場中切削區的最大溫度明顯降低，UAM1比CM1下降3.5%,UAM2比CM2下降11.9%,UAM3比CM3下降14.2%。通過對比切削力數據發現，超聲振動切削可以減小刀具進給方向和垂直方向切削力。刀具與工件的周期性分離會降低加工過程中的平均切削力。切削力最大可減小50%，最小可減小11%。

(2)通過正交對比試驗發現，超聲振動銑削對比常規銑削切削力下降顯著，與仿真趨勢一致。F下降率最高為56%,下降率最低為7%。F，下降率最高為70%,下降率最低為1.8%。F2下降率最高為42%，下降率最低為4.7%。通過分析試驗的溫度數據發現，U1至U6對比C1至C6切削溫度優勢較為明顯，下降幅度分別為10%、34%、12%、14%、22%、32%，而U7、U8、U9的切削溫度與常規相差不大。

(3)在刀具磨損和表面形貌方面，超聲振動銑削劃痕和進給量的痕跡明顯減少，并且提高了加工表面粗糙度，通過對比各組試驗數據發現，U4比C4表面粗糙度下降比率最大，為49%。與常規切削相比，超聲振動切削可以降低刀具磨損值,其中U5對比C5磨損值下降最大為63%。

(4)對正交試驗結果進行極差分析得到:影響表面粗糙度的主次關系為主軸轉速>切削深度>每齒進給量。參數優化為主軸轉速2500r/min,每齒進給量0.05mm/z,切削深度0.2mm。影響刀具磨損主次關系為每齒進給量>切削深度>主軸轉速，參數優化結果為主軸轉速2000r/min，每齒進給量0.03mm/z,切削深度0.2mm。且銑削GH4169時不宜選用過大的切削深度和每齒進給量，切削深度不宜超過0.2 mm,每齒進給量不宜超過0.05mm/z。

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（注，原文標題：超聲振動輔助銑削鎳基高溫合金GH4169的切削性能研究）