前言

目前，GH4169合金已普遍用于航空航天、船舶、汽車制造、石油裝備等重要加工制造領(lǐng)域。鎳基高溫合 金是 以鎳為基體，在高溫高壓條件下仍然具有良好綜合性能的合金。因其優(yōu)良的抗氧化和抗腐蝕性，以及高 溫下 保持高強(qiáng)度的性能，使其成為目前應(yīng)用最廣泛的高溫合金［1］。它在650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫 合金 的首位，具有良好的抗疲勞、耐腐蝕性能及良好的加工性能和長期組織穩(wěn)定性，能夠用于制造各種形狀 復(fù)雜 的零部件［2］。

近年來，許多學(xué)者針對高溫合金GH4169銑削過程中的振動規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。如針對薄壁工件的強(qiáng) 迫振 動響應(yīng)，建立了圓角立銑刀，基于力學(xué)方法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法、直接時(shí)域求解方法，得出了薄壁結(jié)構(gòu) 受切 削力激勵(lì)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動響應(yīng)［3］；為獲得更加精確的高速銑削鈦合金表面粗糙度預(yù)測模型，采集銑 削過 程加速度振動信號，分析銑削系統(tǒng)的振動特性對表面粗糙度的影響［4］；銑削參數(shù)的確定方面，在已 知銑 削過程中的動態(tài)位移和動態(tài)切削力的前提下，建立了薄壁件側(cè)銑工藝系統(tǒng)的動力學(xué)模型和薄壁件再生顫 振系 統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為穩(wěn)定的切削參數(shù)的確定提供了參考［5］；針對高溫合金GH4169進(jìn)行高速銑削正交試 驗(yàn)， 通過極差分析法研究銑削速度、銑削深度、每齒進(jìn)給量對加工材料表面粗糙度的影響程度［6］；通過 正交 試驗(yàn)研究切削速度、銑削深度、銑削寬度、每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響，采用極差分析和方差分析 確定 最小表面粗糙度的最佳參數(shù)組合［7］。

為了提高工件的加工精度和表面質(zhì)量，本文作者以高溫合金GH4169為研究對象，用加速度傳感器對信號 進(jìn)行 測量，對振動幅度進(jìn)行分析。研究其變化規(guī)律及變化原因，同時(shí)對比同一組參數(shù)下振動與切削力之間存 在的 對應(yīng)關(guān)系，為GH4169銑削參數(shù)的合理選擇提供參考依據(jù)。

1、銑削振動試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了一套銑削振動測試系統(tǒng)，研究高溫合金在銑削過程中各種工藝參數(shù)對加工 振動 的影響，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，以獲得更好的高溫合金GH4169銑削工藝參數(shù)。

1.1 試驗(yàn)工件及銑刀

試驗(yàn)采用的工件材料為鎳基高溫合金GH4169，已經(jīng)過時(shí)效處理，工件為100mm×60mm×55mm的長方體。 試驗(yàn) 刀具材料采用硬質(zhì)合金ＫＣ725Ｍ，刀片是后角11°的正方形硬質(zhì)合金ＳＰＥＲ150408ＥＮＧＢ刀具。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

銑削試驗(yàn)所使用的加工設(shè)備是ＸＡ5032立式升降臺銑床。行程700mm×255mm×370mm，工作臺面尺寸 320mm× 1250mm，主軸轉(zhuǎn)速30～1500r/min，主軸電動機(jī)功率7.5KW。

1.3 測量儀器

測量所用的儀器主要由4508Ｂ001型加速度傳感器、Brüｅｌ＆Ｋｊ?ｒ振動與噪聲分析儀和Ｄｅｌｌ計(jì) 算 機(jī)構(gòu)成，為滿足銑削加工振動試驗(yàn)研究的要求，搭建了如圖1所示的銑削試驗(yàn)平臺。振動測試的試驗(yàn)設(shè) 備與儀器如圖2所示。試驗(yàn)中將加速度傳感器貼到工件上，通過測量振動的加速度電壓信號反映振動的速度 和振 幅信號。傳感器接收到的振動信號通過電流放大器和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行運(yùn)算、分析后，顯示測量結(jié)果并保存。

設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)考慮到需分析切削力與振動之間的關(guān)系，切削力試驗(yàn)與振動試驗(yàn)采用相同的切削參數(shù)，因?yàn)? 在裝 夾工件時(shí)，工件的底面與機(jī)床床身的接觸也在ｚ方向，可以近似看作是剛性的全約束連接，在ｚ方向上所產(chǎn) 生的振動可以忽略不計(jì)。測量時(shí)只采集了ｘ、ｙ2個(gè)方向的振動數(shù)據(jù)，因此，試驗(yàn)中將加速度傳感器僅安裝在工件的ｘ方向與ｙ方向。

2、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在銑削高溫合金GH4169過程中，不同的銑削參數(shù)對工件振動影響也不一樣，為了研究銑削參數(shù)的變化對 工件 振動的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)，研究不同銑削參數(shù)對工件振動的影響規(guī)律，并結(jié)合表面粗糙度的 變化 情況進(jìn)行綜合分析。

研究切削速度對振動的影響，選擇進(jìn)給速度v_f為150mm/min，軸向切深a_p為0.8mm，徑向切深a_e為20mm， 切削 速度v_c分別為18.84、47.10、994.20、149.15、298.30m/min；研究進(jìn)給速度對振動的影響，選擇切削 速度 v_c為94.20m/min，軸向切深a_p為0.8mm，徑向切深a_e為20ｍｍ，進(jìn)給速度v_f分別為60、95、150、190、 235mm/min；研究軸向切深對振動的影響，選擇切削速度v_c為94.20m/min，徑向切深a_e為20mm，進(jìn)給速 度v_f為150mm/min，軸向切深a_p分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mm。

3、試驗(yàn)結(jié)果與分析

在已建立的試驗(yàn)平臺基礎(chǔ)上，根據(jù)選定的銑削參數(shù)，對銑削過程中ｘ、ｙ方向的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并 對提 取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究在切削速度、進(jìn)給速度、軸向切深單一參數(shù)改變的情況下，工件的振動特性。

3.1 切削速度對振動的影響

在硬質(zhì)合金刀具銑削高溫合金GH4169的加工過程中，切削速度對振動幅值的影響如圖3所示。從圖中可 以看出，從總體上看，在ｘ方向上的振幅比ｙ方向的振幅小，振幅并不是隨著切削速度的變化呈線性變化， 且ｘ 、ｙ2個(gè)方向上的變化趨勢相反。當(dāng)切削速度小于150mm/min時(shí)，ｘ方向上振動幅值隨著切削速度的增加而逐漸增加，而后ｘ方向振幅開始減小；當(dāng)切削速度小于150mm/min時(shí)，ｙ方向上振動幅 值隨 著切削速度的增加呈現(xiàn)出大致反比線性的減小，而后突然急劇增大。

將銑削速度與ｙ方向振幅進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到擬合曲線如圖4所示，經(jīng)求解得到擬合曲線方程為ｙ＝ 9.709 ×10^－4ｘ²－0.2418ｘ＋34.094曲線的相關(guān)系數(shù)Ｒ1達(dá)到0.9923，可以將該曲線作為實(shí)際加工中速度與 振幅 的關(guān)系曲線來研究。該擬合曲線的對稱軸為ｘ＝124.64，因此由擬合曲線得到的振幅最小值出現(xiàn)在切削 速度 v_c＝124.64m/min時(shí)，與試驗(yàn)數(shù)值吻合。圖5為不同切削速度下測得的表面粗糙度曲線，結(jié)果顯示粗糙度 的變 化與振動幅值變化趨勢相同。通常情況下，銑削過程的精加工過程中，對于表面粗糙度的要求是R_a在 1.25～ 2.5μｍ之間。

因此，經(jīng)擬合曲線及粗糙度的對比得出切削速度vc在40.09～206.49m/min范圍內(nèi)時(shí)，表面粗糙度R_a小于 2.5 μｍ。因此，在試驗(yàn)加工條件下，要達(dá)到精加工的要求，需控制振動幅值在25.96ｍ/s²以內(nèi)。

3.2 進(jìn)給速度對振動的影響

在硬質(zhì)合金刀具銑削高溫合金GH4169的加工過程中，進(jìn)給速度對振動的影響如圖6所示。從圖中可以看 出， 其振動幅值隨著進(jìn)給速度的增加而逐漸減小，在ｘ方向上的振幅始終比ｙ方向的振幅小。當(dāng)進(jìn)給速度較 小時(shí) ，切削振動隨著進(jìn)給速度的增加而減小，但其減小的速率較大，當(dāng)進(jìn)給速度較大時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增 加， 切削振動的幅值變化很小，并且在進(jìn)給速度達(dá)到一定值時(shí)，在ｘ方向上的振幅還有緩慢上升的趨勢。在 切削 振動試驗(yàn)過程中采取的進(jìn)給方向是ｘ方向且是全齒切削，所以切削過程中ｘ方向上的分力是最小的，夾 緊力 作用在ｘ方向上的2個(gè)表面，因此在ｘ方向上的夾緊力較大，幾乎屬于剛性連接，所以很難產(chǎn)生振動。 而ｙ 方向上所具有的夾緊力僅僅是靠夾具與工件之間的摩擦力，從而導(dǎo)致了ｙ方向的振幅大于ｘ方向的振幅 。

在進(jìn)給速度的單因素試驗(yàn)中，ｙ方向的振動幅值大于ｘ方向，通過試驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)對進(jìn)給速度與振幅 的關(guān) 系進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)Ｒ2為0.9109，結(jié)果如圖7所示。經(jīng)求解得到擬合曲線方程為ｙ＝0.0012ｘ²－0.4504ｘ＋71.363擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)性較高，通過擬合曲線得到的估算值與 實(shí)際 值之間的偏差較小。為保證加工后表面質(zhì)量達(dá)到精加工要求，需測量不同進(jìn)給速度下得到的表面粗糙度 ，不 同進(jìn)給速度下表面粗糙度如圖8所示。為保證表面粗糙度R_a小于2.5μｍ，利用擬合曲線得到的振動幅值 為 42.9ｍ/s²，對應(yīng)的進(jìn)給速度約為83mm/min，在實(shí)際精加工過程中，需要控制進(jìn)給速度在83mm/min以上 。

3.3 軸向切深對振動的影響

在用硬質(zhì)合金刀具銑削高溫合金GH4169時(shí)，軸向切削深度對振動幅值的影響，如圖9所示，可見振動隨 著軸 向切削深度的增加而增加，在ｙ方向上的振幅始終比ｘ方向的振幅大。

隨著軸向切深a_p的增加，ｙ方向切削振動并不呈現(xiàn)線性增加趨勢，當(dāng)軸向切削深度較小時(shí)，軸向切削振 動隨 著切削深度的增加而增加，但其增長較慢，當(dāng)軸向切削深度較大時(shí)，隨著軸向切削深度的增加，切削振 動的 幅值增長速率加快，并且在軸向切深達(dá)到0.9mm時(shí)，振幅迅速增大。

隨著軸向切深的改變，ｙ方向振幅總是大于ｘ方向振幅。因此，研究軸向切深與振動幅值的關(guān)系時(shí)，主 要考 慮與ｙ方向的振幅關(guān)系。將軸向切深與振幅進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到的曲線如圖10所示。曲線的相關(guān)系數(shù) Ｒ3 達(dá)到0.9075，可以將該曲線作為實(shí)際加工中速度與振幅的關(guān)系曲線來研究。經(jīng)求解得到擬合曲線方程為 ｙ＝ 83.428ｘ²－4.9742ｘ＋6.608為保證加工后表面質(zhì)量達(dá)到精加工要求，需測量 不同軸向切深下得到的表面粗糙度，結(jié)果如圖11所示。為保證表面粗糙度R_a小于2.5μｍ，利用擬合曲 線得 到當(dāng)軸向切深為0.797mm時(shí)R_a達(dá)到2.5μｍ，對應(yīng)的幅值為66.941ｍ/s²。因此，在實(shí)際精加工過程中， 需 要控制軸向切深在0.797mm以下，振幅控制在66.941ｍ/s²以下可以保證精加工的表面質(zhì)量。

4、結(jié)論

（1）通過對GH4169高溫合金銑削加工進(jìn)行一系列的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用硬質(zhì)合金刀具銑削高溫合金GH4169時(shí) ，在 ｘ方向上的振幅總體比ｙ方向的振幅小，在ｘ方向上的切削分力是最小的。

（2）工件在加工過程中的振動劇烈程度和切削速度、進(jìn)給速度、軸向切深有緊密的聯(lián)系。振動幅度隨 著切 削速度的逐漸增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢；隨著進(jìn)給速度的增大，振動幅度逐漸減小，隨著軸向 切深 的增加，振動幅度逐漸增大。

（3）為滿足表面粗糙度R_a在1.25～2.5μｍ之間的要求，在GH4169高溫合金銑削過程中的最優(yōu)切削 參數(shù)v_c為40.09～206.49m/min，v_f為80mm/min、a_p小于0.797mm。在此切削參數(shù)下可以有效減小振動強(qiáng) 度， 實(shí)現(xiàn)刀具較長耐用周期，使刀具具有很好的經(jīng)濟(jì)性，降低生產(chǎn)成本。

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