面向GH4169高温合金高效精密加工的超声振动铣削工艺研究，结合仿真预测与试验验证，确定最优切削参数组合，为航空发动机高温合金构件低损伤低应力高质量数控加工提供理论与技术依据

GH4169高温合金是一种高合金化的Ni基时效合金,Cr为主要合金元素,同时采用Co、W、Mo、Al、Ti、Nb、Mg、B等元素进行综合强化[1-3]。因其在高温、超高温条件下具有良好的高温力学性能和抗高温氧化能力,长期服役于温度范围在650℃~1000℃的环境中，主要作为航空发动机零部件、燃气轮机叶片及航空发动机涡轮盘等需要耐高温和耐腐蚀性能零部件的关键材料。由于高温合金具有强度高、热导率低、塑性高和韧性大的特点，因此在切削加工时会面临切削热高与切削力大的挑战，材料内部易产生加工硬化现象，刀具亦会发生磨损、黏结和扩散等多种形式的磨损，进而严重影响刀具使役寿命，最终降低成型件加工质量[6-7]。

铣削方式对切削温度、切削力和材料表面质量等因素具有重大影响，超声辅助铣削(UAM)是一种通过超声波给刀具施加高频振动，从而实现微观上刀-屑分离的加工技术[8]。通过超声波的高频振动，可以降低切削阻力、提高加工精度和表面质量,同时延长刀具使用寿命[9-11]。对于UAM的加工,近年来国内外学者对其展开大量的研究。AZARHOU等[12-13]通过使用超声振动辅助钻削的加工方式对镍基高温合金Inconel738-LC进行了试验研究，并与常规钻削方式进行对比。研究发现，在超声振动加工下的孔，其圆度、圆柱度、孔外径和表面粗糙度都被不同程度地优化，从而显著提高了加工质量。肖强等[14]也通过建立超声振动铣削镍基高温合金的铣削力模型，仿真分析铣削力与超声振动的频率、振幅之间的关系，并进行试验验证。结果表明:使用超声振动辅助铣削后，在一定范围内，随着超声波频率和振幅的增大，铣削力减小，试件切削痕迹平滑、表面形貌圆润，显著改善了加工表面质量。Maurotto等对AlSi316L材料在40kHz~60kHz超声频率辅助下铣削与常规铣削相比研究，超声振动辅助铣削有效改善表面质量、降低残余应力倪陈兵也对钛合金进行超声辅助铣削和传统铣削的对比研究[16],研究结果表明:超声振动可以降低铣削力峰值,使切削力相比传统铣削降低60%左右;超声辅助振动铣削后的已加工表面形貌也比传统铣削有明显提高。

综上所述，因此探究GH4169不同铣削方式下对切削温度、切削力和材料表面质量的影响规律至关重要。国内外学者通过试验已经验证超声辅助加工在车削、钻孔高温合金与铣削其他金属等方面提供了更好的性能，但是在铣削高温合金方面较为缺少系统性的规律总结。本文首先利用ABAQUS仿真软件进行切削仿真,分别建立常规切削与超声振动辅助切削方式下的二维有限元模型,通过理论模拟仿真超声振动在切削性能上的优势。其次过正交试验验证超声振动辅助铣削方式下铣削参数对切削温度、切削力和已加工表面质量的影响，为高温合金GH4169的实际加工提供了理论支撑和技术指导。

1、有限元仿真模拟

1.1模型建立

在软件ABAQUS上建立二维铣削仿真模型,通过此模型的模拟,重点关注超声振动辅助切削对比常规切削时性能的变化规律。建立刀具及工件模型，刀具为二维平面刀具，前角3°,后角5°。工件尺寸长4mm高1.5mm,底端固定。建立温度-位移耦合分析步，并对刀具和工件划分网格，如图1所示。网格单元类型为CPE4RT:四结点热耦合平面应变四边形单元,网格细化区域深度为0.6mm。

1.2材料本构和损伤准则

为了模拟材料去除和切屑分离，需提供材料的流动应力模型作为应变、应变率和温度的函数。流动应力与应变、应变率和温度之间的关系由数学关系(本构方程)定义。材料本构模型是成功模拟切削过程的最重要因素，且是仿真计算中的核心问题之一，不同的本构模型参数会对模型产生不同的影响。J-C模型[17]于1983年提出后备受关注，其主要应用于金属材料在大变形、高应变率、高温条件的本构模型。而材料的切削过程就是一个在高速情况下的变形响应，J-C本构模型可描述应变、应变率和温度三者的耦合对应力的影响,其表达式(1)如下所示。

式中:p为等效塑性应变率; ε p 为等效塑性应变; σ为等效流动应力;po为准静态塑性应变率;T、T、Tm分别为瞬时温度、环境温度、工件材料的熔点温度;A、B、C、n和m为材料常数，具体数值,见表 1 [18]。

表1 GH4169J-C本构模型参数

工件材料切屑的分离准则可以表现出切削过程的物理本质。当材料的温度和应变率增加时,材料失效的可能性也会随之增加。本文采用了 J-C断裂准则 [18],该准则适用于材料在高速高压下的变形,综合考虑了应变、应变率、应力和温度对切削过程的影响。公式的表达为式(2)、式(3), D1-D5参数,见表 2。 G H4169的其他性能参数,见表 3 [19]。

表2 GH4169J-C断裂准则参数

表3 GH4169其他性能参数

1.3仿真参数设置

各组仿真切削参数见表4。模拟不同切削参数在常规切削和超声振动切削下的切削性能,常规切削仿真为 CM1、CM2、CM3,超声振动仿真切削仿真为 UAM1、UAM2、UAM3。超声振动仿真切削参数与常规铣削相同,分别在工件的 X方向(切削速度方向)和 Y方向(切削深度方向)赋予简谐振动的幅值函数,其中频率 f =  10kHz,纵向振幅 A =  1μm、横向振幅B=1μm初始相位角为β=90°。

表4仿真参数

1.4仿真结果分析

1.4.1应力场、温度场仿真

如图2所示,为随机整个时间段工件位移曲线,工件的振动频率在 10kHz,振幅在 1μm,与设置的超声振动参数完全吻合。如图 3所示,为仿真切削过程中的应力场云图(CM3、UAM3)。

通过分析发现，切削过程中在第一变形区产生了应力集中,这是由于切削时发生了剪切滑移变形所导致的。在超声振动切削过程中,由于刀具在切削方向上存在超声振动,因此切削是断续进行的。在一个振动周期内,刀具只有部分时间在有效切削，其切削过程分为刀具切削退出过程以及刀具切削进入过程。在一个周期内，刀具以极高的峰值速度冲击材料,最大Mises应力分布于剪切区。随后速度减缓,导致最大Mises应力值下降。随后速度进一步降低至退刀。完成退刀后，刀具再次冲击切屑，并循环进行。

超声振动的应力集中区域明显低于常规切削，这是因为振动切削能够改变切削过程中材料的应变行为，降低切削过程中的流动应力，从而改善加工效果和工件的加工质量。超声振动对切削区域的应力有一定影响，可以在一定程度上减少切削过程中产生的应力。如图3两种切削方式下应力云图分布。常规切削的最大应力为2197MPa,而超声振动切削在刀具切入工件阶段时，由于工件第一变形区受到挤压，其最大应力为2213MPa高于常规切削。而在刀具速度减缓至退刀阶段(卸载过程)及再次切入阶段的最大应力均低于常规切削。

统计刀具速度减缓至退刀阶段最大应力结果与常规切削最大应力结果后发现，UAM1对比CM1下降1.5%，UAM2对比CM2下降1.9%,UAM3对比CM3下降4.4%,如图5(a)所示。

如图4所示，为CM3、UAM3仿真切削的最大温度结果。通过观察发现施加超声振动后切削区最大温度会明显降低，如图5(b)所示UAM1对比CM1下降3.5%,UAM2对比CM2下降11.9%，UAM3对比CM3下降14.2%。主要原因为超声振动切削的振动作用使得刀具与工件频繁的分离,分离是没有进行切削，振动切削刀具的高频振动作用下，切削速度加快,切削频率增加,使得切削区域内的热量更快地被释放出来。并且超声振动切削时会使工件摩擦系数降低[20],摩擦热会相应减少。

1.4.2切削力

通过对刀具反力的输出提取切削力的变化情况,如图6所示。

通过分析发现超声振动切削能大幅度的减小切削力。刀具与工件的周期性分离会降低加工过程中的平均切削力2]。提取各组切削力的平均值进行对比,如图7所示。

UAM1对比CM1的切削力在X方向下降了40.9%,Y方向下降了31.5%,UAM2对比CM2的切削力在X方向下降了34.4%,Y方向下降了40.8%,UAM3对比CM3的切削力在X方向下降了15.1%，Y方向下降了50%。仿真结果表明，超声振动切削可以减小刀具进给方向和垂直方向切削力，且通过分析仿真结果数据，最大可减小50%的切削力，最小可减小11%的切削力。

2、试验材料与方法

2.1试验条件

加工系统如图8所示。

包含CNC立式加工中心、FLIR T630sc热像仪、瑞士kistler力传感器和Dynoware软件构成的切削力测量系统以及数控波超声发生器以及超声刀柄组成的超声振动切削系统。试验材料为50mm6mm10mm的GH4169高温合金，刀片为硬质合金材质，刀具为直径12mm的单刃方肩铣刀。加工过程中使用测力仪测量系统输出切削力，通过红外相机实时测量切削温度。试验完成后，使用VHX-2000C超景深光学显微镜观察工件表面形貌与刀具磨损,使用便携式粗糙度仪测量粗糙度。

2.2试验参数

设计了常规与超声振动三因素三水平的正交对比试验，进行正交分析与对比分析,常规试验切削参数见表5,铣削宽度固定为10mm。超声振动试验切削参数与常规试验相同，并在此基础上增加超声振动载荷。超声波发生器提供20000Hz的超声频率,通过超声刀柄转化为振幅,振幅值为1μm,达到超声振动铣削的效果。

表5正交试验参数表

3、结果与讨论

3.1切削力和切削温度分析

通过分析测力仪采集的切削力原始数据如图9所示、热像仪采集的温度场数据如图10所示,得到切削力和切削表面温度的试验结果, F x 为径向切削力, F z 为轴向切削力, F y 为进给切削力。提取铣刀每转过一刃阶段三个方向的切削力峰值的平均值，提取热像仪右侧图例中的最大温度为切削温度，见表6、表7。

表6常规试验切削力、切削温度结果

表7超声振动试验切削力、切削温度结果

通过分析发现，超声振动铣削对比常规铣削切削力下降显著，FxU5较C5下降率最高约为56%，U2较C2下降率最低约为7%。FyU5较C5下降率最高约为70%,U6较C6下降率较低约为1.8%。F2U6较C6下降率最高约为42%,U3较C3下降率最低约为4.7%。超声振动切削的切削力下降主要原因为:切削过程中材料的降低屈服阈值，超声振动切削可以通过振动作用改变切削区域材料的应力状态，降低了材料的屈服极限,使材料更容易发生塑性变形,并改善了切削过程的稳定性,减小了切削区域的摩擦阻力,从而降低了切削力的大小。切削温度下降率最高可至34%(U2)。U1至U6对比C1至C6切削温度下降较大，分别为10%、34%、12%、14%、22%、32%，而U7、U8、U9的切削温度下降较低。其原因在于切削速度大在切削区域产生了较高的热量，但是在超声振动切削过程中，由于振动作用可能会导致切削区域内的局部热量积累，影响了切削温度的下降。因此，超声振动切削并不能有效降低较高切削速度的局部热量积累。

3.2刀具磨损及已加工表面分析

使用表面粗糙度仪，如图11所示。分别在已加工表面选取5个测试点进行测量，将测量结果取平均值得到每组试验的表面粗糙度值。

采用VHXJ250超景深三维立体光学显微镜对表面形貌和刀具磨损进行检测如图12所示，测量数据见表8。

表8表面粗糙度及刀具磨损试验结果

通过表面形貌观察到，常规加工时，已加工表面出现较多的划痕和明显进给量的痕迹，而超声振动切削痕迹不是很明显，进给量痕迹被超声振动切削痕迹所覆盖。通过引入高频微小振动,能够降低切削区域的摩擦阻力,减小切削力,降低切削温度,从而减少表面热损伤和切削变形,提高加工表面粗糙度，且振动切削使刃具与工件之间的接触状态更加活化、有利于切削进给过程中切削刃具更好的接触加工表面，减小了顶刀和被切削材料的接触面积，有利于提高破碎切屑，从而避免了毛刺和划痕的产生。通过数据对比发现，超声振动铣削各组试验在表面粗糙度和刀具磨损方面有不同程度的降低。通过数据对比常规切削如图13所示，为各组实验的表面粗糙度值和刀具磨损值及相应的下降率，发现表面粗糙度最多降低了49%(U4),刀具磨损值最多降低了63%(U5)。

对超声振动的正交试验结果进行极差分析如表9、表10所示。首先分析表面粗糙度结果。主轴转速、每齿进给量、切削深度的极差分别为0.085、0.048、0.077,影响表面粗糙度的主次关系为主轴转速>切削深度>每齿进给量。其参数优化为主轴转速2500r/min,每齿进给量0.05mm/z,切削深度0.2mm。分析刀具磨损结果。主轴转速、每齿进给量、切削深度的极差分别为55.67、73.33、56.67。影响主次关系为每齿进给量>切削深度>主轴转速，参数优化结果为主轴转速2000r/min,每齿进给量0.03mm/z,切削深度0.2mm。通过数据分析发现，超声振动铣削GH4169时，不宜选用过大的切削深度和每齿进给量,否则会出现表面质量较差、刀具磨损严重的情况。切削深度不宜超过0.2 mm,每齿进给量不宜超过0.05mm/z。

表9表面粗糙度极差分析表

表10刀具磨损极差分析表

4、结论

在本研究中，首先重点分析超声振动加工在切削性能和表面质量上的优势，通过二维切削仿真得到了切削力、温度场、应力场等数据。其次通过铣削对比试验得到了切削力、切削温度、刀具磨损、表面粗糙度、表面形貌等数据。通过对上述数据的深入研究得到以下结论:

(1)通过仿真分析，发现超声振动的应力集中区域明显低于常规切削，并在一定程度上能减少切削过程中产生的应力,通过对比发现UAM1比CM1下降1.5%,UAM2比CM2下降1.9%，UAM3比CM3下降4.4%。与CM相比，UAM的温度场中切削区的最大温度明显降低，UAM1比CM1下降3.5%,UAM2比CM2下降11.9%,UAM3比CM3下降14.2%。通过对比切削力数据发现，超声振动切削可以减小刀具进给方向和垂直方向切削力。刀具与工件的周期性分离会降低加工过程中的平均切削力。切削力最大可减小50%，最小可减小11%。

(2)通过正交对比试验发现，超声振动铣削对比常规铣削切削力下降显著，与仿真趋势一致。F下降率最高为56%,下降率最低为7%。F，下降率最高为70%,下降率最低为1.8%。F2下降率最高为42%，下降率最低为4.7%。通过分析试验的温度数据发现，U1至U6对比C1至C6切削温度优势较为明显，下降幅度分别为10%、34%、12%、14%、22%、32%，而U7、U8、U9的切削温度与常规相差不大。

(3)在刀具磨损和表面形貌方面，超声振动铣削划痕和进给量的痕迹明显减少，并且提高了加工表面粗糙度，通过对比各组试验数据发现，U4比C4表面粗糙度下降比率最大，为49%。与常规切削相比，超声振动切削可以降低刀具磨损值,其中U5对比C5磨损值下降最大为63%。

(4)对正交试验结果进行极差分析得到:影响表面粗糙度的主次关系为主轴转速>切削深度>每齿进给量。参数优化为主轴转速2500r/min,每齿进给量0.05mm/z,切削深度0.2mm。影响刀具磨损主次关系为每齿进给量>切削深度>主轴转速，参数优化结果为主轴转速2000r/min，每齿进给量0.03mm/z,切削深度0.2mm。且铣削GH4169时不宜选用过大的切削深度和每齿进给量，切削深度不宜超过0.2 mm,每齿进给量不宜超过0.05mm/z。

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（注，原文标题：超声振动辅助铣削镍基高温合金GH4169的切削性能研究）