王明海，郭小宇

(沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136)

0 引言

隨著我國航空行業(yè)的高速發(fā)展，表面工程技術(shù)也成為了熱點(diǎn)，涂層就是其中之一，特別是在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵制造技術(shù)中，涂層技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的耐磨、高溫、防護(hù)、隔熱、封嚴(yán)和阻燃等方面起了顯著的作用，應(yīng)用越來越廣泛。近幾年，隨著新產(chǎn)品研制和生產(chǎn)的不斷需求，每年都有很多涂層技術(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)和科研。但一直以來，涂層位置的加工存在很高的風(fēng)險(xiǎn)，加工中經(jīng)常出現(xiàn)涂層局部脫落，局部疏松，導(dǎo)致對機(jī)匣進(jìn)行反復(fù)噴涂加工，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的按時(shí)交付和加工周期都有很大的影響，也有不少航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣因?yàn)榉磸?fù)噴涂而報(bào)廢，最終影響整個(gè)航空產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)[1-3]。因此，了解涂層切削過程中涂層的變化是十分重要的。如吳志遠(yuǎn)[4]利用YG610硬質(zhì)合金刀具，在緩進(jìn)給切削條件下進(jìn)行高硬熱噴涂層的車削加工，獲得了較小粗糙度的表面質(zhì)量。但是常用的鎳基涂層硬度和耐磨性較高，且涂層中含有孔隙、夾層、硬質(zhì)顆粒等缺陷，會(huì)對機(jī)床切削過程造成強(qiáng)迫振動(dòng)。翟振東等[5]在不同主軸轉(zhuǎn)速下，通過對Fe基涂層加工過程中的振動(dòng)進(jìn)行測量，并與均質(zhì)材料45鋼的加工過程進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明了Fe基涂層切削加工過程中的振動(dòng)包含自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)。Wang[6]和Xu[7]等研究了FeCrBSiNb涂層在車削加工過程中的切削力、表面粗糙度和切屑形態(tài)，提出了切削參數(shù)對表面粗糙度的影響，但是并沒有考慮機(jī)床切削加工過程對涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響，也沒有提出合適的切削步。由于涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，切削過程中的瞬態(tài)切削力會(huì)對切削過程以及涂層工件本身產(chǎn)生較大影響。本文通過對切削試驗(yàn)的過程進(jìn)行研究分析，以確定切削參數(shù)對涂層的表面損傷情況和涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度的影響，并為實(shí)際生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

涂層零件為沈陽黎明國際動(dòng)力工業(yè)有限公司生產(chǎn)制造的某型號機(jī)匣件，其中涂層材料為鎳鋁復(fù)合粉末涂層，基體材料為高溫合金，涂層厚度為2mm，使用喬福臥式車床進(jìn)行車削加工。加工過程中使用Kistler測力儀對切削過程中的切削力進(jìn)行測量。

涂層結(jié)構(gòu)包括涂層、基體、結(jié)合面、非均質(zhì)顆粒以及氣孔，涂層厚度約為2mm且涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常致密，另外，未經(jīng)機(jī)加工的涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度約為50MPa。根據(jù)現(xiàn)有研究成果以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，切削進(jìn)給的選擇對于加工過程來說可以有效縮短切削路程，提高加工效率，但是對于實(shí)際生產(chǎn)，提高進(jìn)給量意味著刀具的磨損加劇，頻繁的更換刀具又降低了生產(chǎn)效率，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，切削進(jìn)給一般選擇0.05～0.2mm/r；涂層厚度為2mm，加工余量較小，且由于涂層結(jié)構(gòu)疏松、與基體間結(jié)合強(qiáng)度低的特點(diǎn)，切削過程中切削力不宜過大，而切削深度的改變對切削力的影響較大，因此根據(jù)切削加工手冊及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)切削深度一般選用0.2～0.5mm；對于切削速度的選擇，我們進(jìn)行了三種不同切削速度對涂層零件進(jìn)行切削加工。

采用3因素3水平正交試驗(yàn)進(jìn)行切削加工，所選因素水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

采用L9(34)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案

2 表面質(zhì)量測量及分析

觀察每組試件切削加工后的表面，以目視涂層表面致密性、光亮度、有無斑點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)判斷加工是否合格。切削用量的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及極差分析結(jié)果如表3所示。采用極差分析法，研究切削參數(shù)對涂層表面粗糙度的影響，同時(shí)研究不同切削參數(shù)下表面粗糙度的變化規(guī)律，獲得適合鎳基涂層車削加工的工藝范圍，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。從正交試驗(yàn)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，每組試驗(yàn)結(jié)果的表面粗糙度都在2μm以下，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 表面粗糙度正交試驗(yàn)結(jié)果

從極差分析的結(jié)果可以獲得切削速度、切削深度和進(jìn)給量分別與表面粗糙度之間的關(guān)系。隨著切削速度的增大，涂層表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在切削速度為50m/min時(shí)表面粗糙度的平均值為1.57μm達(dá)到最小，切削速度與表面粗糙度的關(guān)系折線圖如圖1所示，從圖中可以看出，這主要是由于在切削速度提高后，切削溫度會(huì)逐漸升高，使涂層表面產(chǎn)生熱軟化效應(yīng)，使涂層的硬度降低，降低了切削力，從而獲得較好的表面粗糙度，當(dāng)切削速度繼續(xù)增大時(shí)，刀尖及切削刃鋒利度降低，使刀具與工件之間的摩擦變大，導(dǎo)致表面粗糙度增大。

圖1 切削速度與表面粗糙度的關(guān)系

隨著進(jìn)給量的增大，表面粗糙度是逐步增大的，其原因主要是隨著進(jìn)給量的增大，刀具的后刀面與工件接觸的摩擦距離也隨著增加，加劇了刀具的磨損，導(dǎo)致表面粗糙度增大，其關(guān)系圖見2。

圖2 進(jìn)給量與表面粗糙度的關(guān)系

切削深度對涂層表面粗糙度的影響呈現(xiàn)與均質(zhì)材料切削非常不同的規(guī)律，關(guān)系折線見圖3，造成這種現(xiàn)象的主要原因是涂層的形成方式?jīng)Q定了涂層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以層狀結(jié)構(gòu)為主，且存在硬質(zhì)點(diǎn)及孔隙，在車削加工過程中，刀具與這些硬點(diǎn)、孔隙、結(jié)合層在微觀上可以看作斷續(xù)加工，因此刀具-工件系統(tǒng)存在沖擊振動(dòng)現(xiàn)象，對表面粗糙度的影響不穩(wěn)定，而最大粗糙度仍在2μm以下，在提高加工效率的前提下完全滿足使用需求。

圖3 切削深度與表面粗糙度的關(guān)系

通過極差分析發(fā)現(xiàn)，在鎳基涂層車削加工中，進(jìn)給量對涂層表面粗糙度影響最大，切削速度次之，切削深度影響最小，針對表面質(zhì)量最佳的加工方案為A2B1C3，即：切削速度為50m/min 、進(jìn)給量為0.1mm/r、切削深度為0.3mm。

3 涂層切削力測量及分析

根據(jù)涂層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[8-11]，作圖4所示涂層切削機(jī)理分析模型，涂層材料的切削過程在宏觀上與普通金屬切削加工過程相似，都是在刀具前刀面的擠壓和摩擦作用之下，在切削層材料中出現(xiàn)足夠的彈性變形、塑性變形以及剪切滑移，并在切削刃的作用下與工件基體分離而形成切屑的過程。通常將切削變形區(qū)分為3個(gè)部分。圖中OAC區(qū)域即為第Ⅰ變形區(qū)，在涂層切削加工過程中，首先工件與前刀面間的擠壓作用使工件切削層發(fā)生塑性變形，在剪切應(yīng)力的作用下，涂層材料切削層達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，切削層延OA滑移線發(fā)生剪切滑移，在這個(gè)過程中隨著刀具的繼續(xù)前進(jìn)，工件的塑性變形逐漸增大，到OC剪切滑移終止，該區(qū)域是主要的變形區(qū)域，是切削力和切削熱的主要來源。切削過程中切屑沿會(huì)沿著刀具前刀面流出，這個(gè)區(qū)域稱為第Ⅱ變形區(qū)，前刀面對切削層材料的持續(xù)擠壓并伴隨著高溫使得切屑底層材料軟化粘連在前刀面上從而形成粘結(jié)區(qū)，第Ⅱ變形區(qū)是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤等影響切削過程的主要原因。第Ⅲ變形區(qū)存在于已加工表面和后刀面之間，材料已加工表面發(fā)生塑性回彈而受到后刀面的擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形和加工硬化，第Ⅲ變形區(qū)的變形作用是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因，并且直接影響已加工材料的表面質(zhì)量。

涂層相比于常用均質(zhì)材料的切削過程，其差異主要體現(xiàn)在：①熱噴涂層內(nèi)具有大量氧化物夾雜、未熔粒子、孔隙和界面層的存在，造成涂層切削過程中沖擊與振動(dòng)的產(chǎn)生；②涂層形成過程中噴涂粒子的急速冷卻使涂層具有較高的硬度，加上各種硬質(zhì)材料的加入使得熱噴涂層具備更高的硬度，高硬度、高耐磨性往往就是涂層材料具有的特點(diǎn)；③加工過程中的切削力呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，會(huì)對涂層與體基間結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重時(shí)易發(fā)生涂層脫落等失效現(xiàn)象。

圖4 涂層切削機(jī)理分析模型

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，從中可以發(fā)現(xiàn)切向力Fz是最大的切削分力。將相同切削速度下測得的切削力的平均值作為該切削速度下的切削力，切削速度為40m/min時(shí)的各切削力分量數(shù)值分別為Fx= 16.25N，F(xiàn)y= 31.16N，F(xiàn)z= 56.25N，切削速度為50m/min時(shí)各切削力分量分別為Fx= 15.18N，F(xiàn)y= 27.55N，F(xiàn)z= 37.58N，切削速度為60m/min時(shí)各切削力分量分別為Fx= 23.49N，F(xiàn)y= 33.97N，F(xiàn)z= 55.72N，由各組切削力分量數(shù)據(jù)作出切削速度與切削力的關(guān)系折線圖，如圖5所示，從圖中可以看出，隨著切削速度的變大，切削力先減小再增大，這是由于在切削速度變大的同時(shí)切削溫度隨之上升，從而引起刀具與零件接觸區(qū)軟化，降低摩擦系數(shù)，剪切角增大，這樣就會(huì)使切削力減小，隨著切削速度進(jìn)一步增大，溫度上升幅度相對不明顯，刀具的磨損較大，且機(jī)床振動(dòng)加劇，導(dǎo)致刀具與零件間的沖擊作用更加明顯，所以切削力又增大。

圖5 切削速度與切削力的關(guān)系

同樣，將相同切削進(jìn)給下測得的切削力的平均值作為該進(jìn)給量下的切削力，進(jìn)給量為0.1mm/r時(shí)的各切削力分量數(shù)值分別為Fx= 17.23N，F(xiàn)y= 28.01N，F(xiàn)z= 46.13N，進(jìn)給量為0.15mm/r時(shí)各切削力分量分別為Fx= 18.28N，F(xiàn)y= 30.25N，F(xiàn)z= 48.19N，進(jìn)給量為0.2mm/r時(shí)各切削力分量分別為Fx= 19.41N，F(xiàn)y= 34.43N，F(xiàn)z= 55.23N，由各組切削力分量數(shù)據(jù)作出切削進(jìn)給與切削力的關(guān)系折線圖，如圖6所示，從圖中可以看出，進(jìn)給量的增大導(dǎo)致刀具與零件的相對位移變大，切削力隨之變大，而進(jìn)給量增大后，切削厚度也相應(yīng)變大，引起切削部分變形系數(shù)減小，摩擦系數(shù)減小，從而引起切削力減小。這樣兩方面的作用使得切削力與進(jìn)給量的變化關(guān)系不是呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

圖6 進(jìn)給量與切削力的關(guān)系

將相同切削深度下測得的切削力的平均值作為該切削深度下的切削力，切削深度為0.1mm時(shí)的各切削力分量數(shù)值分別為Fx= 11.44N，F(xiàn)y= 21.10N，F(xiàn)z= 35.84N，切削深度為0.2mm時(shí)各切削力分量分別為Fx= 19.31N，F(xiàn)y= 35.45N，F(xiàn)z= 55.77N，切削深度為0.3mm時(shí)各切削力分量分別為Fx= 24.18N，F(xiàn)y= 36.14N，F(xiàn)z= 57.95N，由各組切削力分量數(shù)據(jù)作出切削深度與切削力的關(guān)系折線圖，如圖7所示，從圖中可以看出，切削深度對切削力的影響，與常用均質(zhì)材料的切削力變化規(guī)律相似，隨著切削深度的增大，三個(gè)切削分力也逐漸變大，切削深度對切削力的影響主要是因?yàn)榍邢魃疃茸兇蠛?，切削寬度也變大，從而?dǎo)致切削面積增大，切削力也就隨之增大。

圖7 切削深度與切削力的關(guān)系

綜上所述，采用極差分析法可以得出，切削深度是影響切削力大小最大的因素，進(jìn)給量的影響最小。針對切削力的最佳切削參數(shù)組合是切削速度為50m/min 、進(jìn)給量為0.1mm/r、切削深度為0.1mm 。合理的選用切削用量對涂層的表面質(zhì)量和涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度的影響至關(guān)重要。

4 結(jié)論

(1)采用正交試驗(yàn)對鎳基熱噴涂層進(jìn)行車削加工后的試件表面進(jìn)行觀察測量，分析了切削參數(shù)對切削加工表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明在滿足使用需求的前提下，影響涂層表面質(zhì)量的主要因素是進(jìn)給量，其次是切削速度，切削深度影響最小。且在所選各因素水平中的最優(yōu)加工方案為：Vc=50m/min、ap=0.3mm、f=0.1mm/r。對涂層零件表面粗糙度影響最大的主要原因是涂層的特殊結(jié)構(gòu)形式所致。

(2)通過分析切削用量對切削力的影響發(fā)現(xiàn)，切削深度對涂層車削加工的切削力影響最大，隨著切削深度的增加，切削力逐漸增大；切削速度對切削力的影響次之，隨著切削速度的增大，切削力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；而進(jìn)給量對切削力的影響最小，隨著進(jìn)給量的增大，切削力逐漸增大。