盧曉紅，武文毅，王文韜，裴興林，路彥君，司立坤

（1.大連理工大學(xué)精密與特科加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024；2.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，甘肅酒泉 735000）

鎳基高溫合金Inconel718微銑削毛刺試驗研究*

盧曉紅1，武文毅1，王文韜1，裴興林2，路彥君1，司立坤

（1.大連理工大學(xué)精密與特科加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024；2.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，甘肅酒泉 735000）

基于微小型機床的微銑削（Micro-milling）技術(shù)是加工鎳基高溫合金微小結(jié)構(gòu)/零件的可行技術(shù)手段。文章通過鎳基高溫合金微銑削加工實驗，利用掃描電子顯微鏡和能譜分析儀對刀具的磨、破損形態(tài)及局部化學(xué)成分和槽的表面形貌進行了研究分析，發(fā)現(xiàn)鎳基高溫合金微銑削毛刺形貌及成因與鎳基高溫合金傳統(tǒng)切削或其他材料微銑削具有很大不同：首先，毛刺長度過長；其次，刀具磨損對鱗刺的產(chǎn)生有很大影響；鱗刺只出現(xiàn)在槽的一側(cè)邊界。在實驗研究基礎(chǔ)上，分析了毛刺的成因，為后續(xù)鎳基高溫合金微銑削毛刺的有效抑制研究提供參考。

鎳基高溫合金；微銑削；毛刺；鱗刺

0 引言

基于微小型機床的微銑削（Micro-milling）技術(shù)是加工微小零件和高精密零件的一種新興加工技術(shù)，具有加工材料范圍廣、能實現(xiàn)三維曲面銑削、加工精度高、能耗小、設(shè)備投資少、效率高等突出優(yōu)點，能加工出精度高達5μm以上，硬度大于45HRC的零件，曲面質(zhì)量達到0.2μm或更小，細筋零件的厚度小至0.5μm或更小。是鎳基高溫合金微小結(jié)構(gòu)/零件的可行技術(shù)手段。

金屬切削毛刺是切屑與工件分離的過程中，部分殘留在工件的邊、角或已加工表面上，由于塑性變形所產(chǎn)生的微小突出物［1］。毛刺的存在會影響零件的配合，降低工件的尺寸精度，影響零件的使用性能。因此，通常都需要特殊的去毛刺工藝過程來除去毛刺，使零件精度滿足公差要求。但是，在微細加工過程中，由于零件的特征尺寸很小，很難去除毛刺。因此，對于微小零件來說，首要的問題是抑制毛刺的產(chǎn)生。要抑制毛刺，首先要了解毛刺的形貌及成因。

Weinert K等［2］采用400μm的平頭微銑刀進行了Ni-Ti形狀記憶合金的微槽實驗，在槽底發(fā)現(xiàn)了大量的切屑粘附現(xiàn)象，并且在微槽頂端有大量毛刺生成，他們指出這些問題是微銑削加工中的典型缺陷。Damazo B N等［3］的研究表明，加工過程中產(chǎn)生的毛刺對微薄壁結(jié)構(gòu)的微銑削加工有明顯的不利影響，限制了能夠加工的薄壁結(jié)構(gòu)的最小厚度。Lee和Dornfeld等［4-5］進行了微銑削鋁和銅的實驗，以不同的進給量和背吃刀量進行銑削實驗，研究了微細銑削時產(chǎn)生的5種類型的毛刺。德國的J Schmidt等［6］對微細銑削進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)：切削硬鋼（52HRC）時，毛刺是影響微細銑削加工質(zhì)量的主要因素，在每齒進給量為0.5μm時會出現(xiàn)幾毫米長的毛刺。G.Bissacco等［7］指出：在微銑削加工中，由于尺度效應(yīng)的存在，所加工微槽槽頂毛刺尺寸相對較大。Aramcharoen等［8］分析了微銑削加工中最小切削厚度效應(yīng)對表面加工質(zhì)量和毛刺形成的影響，發(fā)現(xiàn)使用存在倒棱或者圓角的切削刃可以抑制毛刺的形成。倪海波進行了微銑削加工毛刺的形成過程仿真與實驗研究［9］。孫雅洲［10］采用微型平頭立銑刀對鍛鋁6061進行微細立銑溝槽實驗，得出背吃刀量和進給量增大時，毛刺尺寸增大的結(jié)論。

鎳基高溫合金微小結(jié)構(gòu)件具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前，鎳基高溫合金微銑削相關(guān)研究幾乎沒有，作者在對鎳基高溫合金微銑削加工實驗的基礎(chǔ)上，得到鎳基高溫合金微銑削毛刺形貌及成因與鎳基高溫合金傳統(tǒng)切削或其他材料微銑削具有很大不同。在實驗研究基礎(chǔ)上，分析了毛刺的成因，為鎳基高溫合金微銑削毛刺的有效抑制研究提供參考。

1 試驗設(shè)備及測量設(shè)備

本實驗在自主搭建的立式微型數(shù)控銑床上進行（圖1）。機床的本體尺寸為194mm×194mm×400mm，機床的工作空間尺寸為50mm×50mm×102mm，主軸最高轉(zhuǎn)速140000r/min，驅(qū)動系統(tǒng)重復(fù)定位精度0.2μm，采用全閉環(huán)控制，分辨率為0.1μm。

實驗完畢后采用日本KEYENCE公司的VHX-600E型超大景深數(shù)碼顯微鏡、日本電子公司的JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡和英國OXFORD公司的能譜分析配件對刀具的磨、破損形態(tài)及局部化學(xué)成分和槽的表面形貌進行研究分析。

圖1 立式微型數(shù)控銑床

2 鎳基高溫合金微銑槽表面形貌隨切削時間的變化

實驗用材料為鎳基高溫合金Inconel718。選用日進公司生產(chǎn)的MX230雙刃硬質(zhì)合金微銑刀進行實驗，切削刃直徑0.3mm，切削刃長度0.6mm，螺旋升角30°，刀柄直徑4mm。

實驗參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速60000r/min，每齒進給量0.6μm/齒，切削深度20μm，刀具懸伸量15mm。設(shè)計單因素試驗，研究表面形貌隨刀具磨損（切削時間）的變化規(guī)律。實驗一共6組，每組實驗的切削參數(shù)一樣，切削時間分別為0.5、2、4、8、16、32分鐘。不同加工階段槽底形貌變化如圖2所示。

圖2 鎳基高溫合金微銑削不同加工階段槽底形貌變化

可以看出，在微銑削鎳基高溫合金過程中，被加工表面形貌的主要特點有：①槽底面有很多微小的凹坑，其分布位置隨機，但是其數(shù)量和密度隨著切削時間的增加而增加。這些凹坑是導(dǎo)致槽底面粗糙度變差的直接原因；②當?shù)毒咔邢鞯揭欢〞r間后，在已加工槽壁的一側(cè)會出現(xiàn)魚鱗狀的、向槽底面中心延伸的、層疊堆積的毛刺，其長度會隨著切削時間的增長而增長，嚴重影響被加工槽的尺寸精度。該毛刺的形態(tài)和鱗刺的形態(tài)很像，而且微銑削Inconel718的過程與鱗刺形成的原因比較相似，因此該種毛刺有可能是一種特殊的鱗刺。

3 槽壁毛刺的形貌特點

圖3所示為實驗中加工表面的毛刺SEM圖，表1為該處化學(xué)成份百分比。

圖3 毛刺局部放大SEM視圖

表1 毛刺化學(xué)成份百分比

從圖2可以看出，槽底毛刺數(shù)量眾多，層層堆積，使得槽底部與被加工表面（側(cè)壁）相連；而從能譜分析中可以發(fā)現(xiàn)，該毛刺組成元素和工件的組成元素一樣，含量百分比一致，沒有刀具涂層或刀具基體的組成元素。

鱗刺是在已加工表面上的鱗片狀毛刺，在中低等的切削速度下，用高速鋼、硬質(zhì)合金或陶瓷刀具切削某些塑形金屬時可能會出現(xiàn)鱗刺，而且研究表明，切削速度的增大并不能使鱗刺消失，只是減小鱗刺的高度。根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)研究，鱗刺可以在下述三種情況下形成：①形成節(jié)狀切屑或單元切屑時；②形成伴有積屑瘤的帶狀切屑時；③形成無積屑瘤的帶狀切屑時。鎳基高溫合金微銑削的切削情況與鱗刺成因情況極為相似。因此推測該毛刺應(yīng)屬于鱗刺。但是該鱗刺與傳統(tǒng)加工中產(chǎn)生的鱗刺有不同之處：

（1）長度過長?？赡茉颍簜鹘y(tǒng)鱗刺主要是因為加工表面導(dǎo)裂而形成，是已加工表面被拽裂而突起形成鱗刺。在本實驗中，由于刀具的切削能力下降，在層積階段，切削層被擠壓的金屬沿積屑瘤表面流出后并沒有形成新的切屑，底部沒有被切斷，還殘留在已加工表面上，因此形成了超長的鱗刺。

（2）在本實驗中，該鱗刺并不是一直存在，而是從第4分鐘后才開始逐漸出現(xiàn)，并且鱗刺的長度不斷增加?？赡茉颍罕緦嶒炛械淖兞恐挥袝r間，因此可以推測刀具磨損對鱗刺的產(chǎn)生有很大的影響。

（3）從加工表面狀態(tài)可以看出，鱗刺只出現(xiàn)在槽的一側(cè)邊界，另一側(cè)比較平整，可能原因：與銑削加工的特點有關(guān)。具體原因分析見第四部分。

4 鎳基高溫合金微銑削毛刺成因分析

通過對該毛刺的特點進行分析總結(jié)，推斷其形成的過程為：銑削過程中刀尖在切入工件時會使工件產(chǎn)生變形，刀具隨主軸轉(zhuǎn)動對未加工表面進行擠壓，第一變形區(qū)內(nèi)的材料收剪切力的作用而產(chǎn)生滑移，與工件分離，進而形成切屑，如圖4a所示。

圖4 微銑過程中形成鱗刺的過程推測

正常情況下，隨著刀具的轉(zhuǎn)動，切屑會彎曲（如圖4b），形成彎曲應(yīng)力并不斷增大，在彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用下，達到材料的應(yīng)變極限后，切屑會分離出工件，被冷卻空氣帶走（如圖4c）。之后刀尖繼續(xù)進行切削，形成下一個切屑并重復(fù)之前的過程（如圖4d～圖4f）。當?shù)毒吣p量較小時，刀尖切削能力強，切屑從形成到脫離工件的行程短，能及時斷屑；但當?shù)都獠课荒p較為嚴重時，切削能力大幅下降，加上最小切削厚度的影響，使切屑在形成后不能及時斷屑，因此當?shù)毒咴诩磳⒚撾x工件的位置形成切屑時，由于刀具在切削很短一段距離后就切出工件，第一變形區(qū)受到的應(yīng)力不足以使切屑分離工件（如圖4h），而繼續(xù)連接在被加工表面上。當?shù)毒邚墓ぜ谐鰰r，未切斷的切屑便殘留在槽側(cè)壁上，之后切出的刀具對該毛刺進行推擠，使其形成順著刀具旋轉(zhuǎn)方向彎曲的條狀毛刺（如圖4i）。由于微銑中每齒進給量很小，因此該毛刺在槽壁上層疊累積，連綿不斷，極大的影響了槽的尺寸精度，并且該毛刺與槽壁連接緊密，在后期處理中極難被去除掉，所以有必要杜絕這種毛刺在加工中出現(xiàn)。

5 結(jié)論

微細銑削過程中產(chǎn)生的微型毛刺通常很難去除，但可以通過改變可控變量控制毛刺的尺寸和類型，使其達到最小化。顯然，要實現(xiàn)對毛刺的控制，就要了解毛刺的形成及其影響因素。毛刺的形成是一個非常復(fù)雜的材料變形過程，其影響因素眾多，尤其像微銑削鎳基高溫合金這種含有硬質(zhì)點的難加工材料切削過程，建立毛刺形成模型是非常困難的。本文通過鎳基高溫合金微銑削試驗，發(fā)現(xiàn)鱗刺只出現(xiàn)在槽的一側(cè)邊界，另一側(cè)比較平整；由于微銑中每齒進給量很小，毛刺在槽壁上層疊累積，連綿不斷，極大的影響了槽的尺寸精度，并且該毛刺與槽壁連接緊密，在后期處理中極難被去除掉，所以有必要杜絕這種毛刺在加工中出現(xiàn)。后續(xù)工作將圍繞鎳基高溫合金微銑削毛刺的有效抑制進行深入研究。

［1］張海軍，黃燕華，袁光輝，等.微靶零件微銑削毛刺實驗研究［J］.制造技術(shù)與機床，2012（7）：134-138.

［2］Weinert K，Kahnis P，Petzoldt V，et al.Micro-Milling of Steel and NitiSMA［C］.55th CIRP General Assembly，STCC section meetingpresentation file，Antalya，turkey.2005.

［3］Damazo B N，Davies M A，Dutter B S.A Summary of Micro-milling Studies［C］.Proc 1st European Society Precis Eng Nanotechnol，Germany，1999.

［4］Lee Kiha，Dornfeld，David A.An experimental study on burr formation in micro milling aluminum and copper［J］. Technical Paper-Society of Manufacturing Engineers.MR，2002（MR02-202）：1-8.

［5］Lee Kiha，Dornfeld，David A.Micro-burr formation and minimization through process control［J］.Precision Engineering，2005，29（2）：246-252.

［6］Schmidt J，Tritschler H.Micro cutting of steel［J］.Microsystem Technologies，2004，10（3）：167-174.

［7］G Bissacco，H N Hansen，LDe Chiffre.Micromilling of Hardened Tool Steel for Mould Making Applications［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005（167）：201-207.

［8］Aramcharoen，Mativenga P T.Size Effect and Tool Geometry in Mcro-milling of Tool Steel［J］.Precision Engineering，2009（33）：402-407.

［9］倪海波.微銑削加工毛刺的形成過程仿真與實驗研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［10］孫雅洲，張慶春，高強，等.微細銑削毛刺形成研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2006（4）：69-72.

（編輯 李秀敏）

Experimental Study on Burrs in Micro-milling Nickel-base Superalloy Inconel718

LU Xiao-hong1，WU Wen-yi1，WANG Wen-tao1，PEI Xing-lin2，LU Yan-jun1，SI Li-kun
（1.Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian Liaoning 116024，China；2.Department of Electical Engineering，JiuquanVocationl&Technical College，Jiuquan Gansu 735000，China）

Micro milling technology which is based on the micro machine tool is one of the feasible skills processing the Nickel-based superalloy micro constructions/parts.Micro-milling Nickel-based superalloy tests have been carried out and then the wear/break features and the chemical component of the testing tool as well as the surface features of the testing slots have been researched.Results show that the burrs'features and causes in micro milling Nickel-based superalloy have great differences from the traditionally milling Nickel-based superalloy and micro milling other materials.Firstly，the length of the burrs is too long.Secondly，tool wearing has great effects on the scales'formation.Thirdly，the scales only appear on the one side of the testing slots.Based on the tests and researches，formation of the burrs has been studied to provide

for controlling the burrs in micro milling Nickel-based superalloy effectively.

nickel-base superalloy；micro-milling；burrs；scales

TH161；TG506

A

1001-2265（2015）01-0001-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.01.001

2014-04-12；

2014-05-06

國家自然科學(xué)基金（51305061）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（20120041120034）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（DUT13LAB13）

盧曉紅（1978—），女，內(nèi)蒙古寧城人，大連理工大學(xué)副教授，博士，研究方向為微銑削加工、數(shù)控機床功能部件綜合性能檢測、可靠性技術(shù)、優(yōu)化算法，（E-mail）lxhdlut@dlut.edu.cn。