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  • 单相奥氏体型固溶强化高温合金GH3039圆钢

    作者:admin发表时间:2022-06-25

      高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上高温抗氧化或抗腐蚀,并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。其主要特点是含有较多的高熔点、高激活能合金元素,并具有优良的热强度、热稳定及热疲劳性能。高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、动力及石油化工行业,是火箭发动机和航空喷气发动机中的关键材料。

      GH3039是我国1958年为配合航空发动机的生产而研制的一种新型的固溶强化性镍基高温合金,通常用作燃烧室中的火焰筒材料。GH3039具有优异的综合性能,但切削加工性能差,主要表现在切削力大、加工硬化现象明显、刀具磨损快等方面。

      目前,国内外学者对GH4169(Inenel718)、K24等高温合金材料的切削性能、切削温度、切屑形成进行了深入研究。然而针对GH3039的铣削加工依然缺乏系统的研究工作,在实际生产时需借鉴其他类型高温合金材料的生产经验,限制了实际的加工效率及加工精度,增加了加工成本。为了保证生产的正常进行,对其加工性能进行研究就具有非常重要的意义。

      GH3039是一种多元合金,其主要化学成分如表1所示。GH3039高温合金切削性能较差,为保证表面加工质量,降低加工成本,对其切削加工过程进行分析研究。试样尺寸为75mm×38mm×34mm。

      硬质合金刀具具有良好的韧性和导热性,已广泛应用于高温合金的切削加工。该种材料刀具在切削高温合金材料时切削速度一般为10~30m/min,当速度超过30m/min时,切削区温度升高,容易导致材料软化和刀刃变形,使刀具失效。

      实验机床为奥地利MC120-60型数控立式加工中心,主轴功率22.5kW,转速为50~12000r/min。刀具采用直径为8mm的SANDVIK整体硬质合金立铣刀,刀齿数为3。测试系统采用型号为9257B的三向KISTLER测力仪、型号为5070A的KISTLER多通道电荷放大器及PC-CARD-DAS16/16数据采集系统,如图1所示。其中,Fx、Fy、Fz分别为轴向力、径向力和切向力。

      在研究GH3039高温合金铣削性能时,铣削方式为顺铣,实验选取高于常规值的切削参数。铣削方案为:一是针对切削参数(vc,fz,ae)的单因素实验,分析切削参数对铣削力的影响。切削速度vc取30、40、50、60、70、80m/min,每齿进给量fz取0.02、0.04、0.06、0.08、0.10mm/齿,侧吃刀量ae取0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm;二是4因素4水平正交实验,如表2所示,其中,ap为背吃刀量。

      单因素铣削力测量实验结果,如图2所示。根据铣削力曲线可以看出,在铣削过程中Fx与Fy远大于Fz,其中速度对Fx影响最大,x向铣削力随速度的增加而减小。这是因为随着切削速度的提高,材料的热软化等因素造成的。对铣削力特征分析可知,Fy主要反映工件的回弹,随着切削速度的提高,后刀面对已加工表面的挤压程度随之增加,故在一定程度上会导致Fy的增加(图2a)。随着每齿进给量的增加,铣削力均呈增加的趋势(图2b)。因为进给量增大,切削厚度增大,所以切削面积增大,力随之增大。随着侧吃刀量的增加,刀具和工件接触的圆弧长度增加,使刀具的铣削面积增大,从而刀具和工件间的摩擦力增大(图2c)。

      其中,Kx、Ky、Kz为修正系数。根据表2,采用多元线性回归分析的方法,建立GH3039材料铣削力经验公式。应用多元线性回归法进行拟合,可得出指数形式铣削力公式:

      为验证公式(1)的准确性,选取4组数据进行校验,结果如表3所示。经计算,Fx和Fy的平均相对误差分别为9.76%和9.83%,两者均小于10%,说明理论公式预测值同实验测量值符合的较好,因此,x、y方向铣削力经验公式在当前的加工条件下是适用的。Fz平均相对误差δz为80.02%,远远大于10%,因此,z向铣削力经验公式不适合当前的加工条件,因z向铣削力比x、y向铣削力小很多,在实际加工中可将其忽略。

      通过铣削实验对高温合金GH3039进行了分析探讨,得到了GH3039铣削力随切削参数变化的规律,建立了铣削力的经验公式,并进行了实验验证,实验结果为进一步研究GH3039刀具磨损、切屑形态等提供了理论和实践基础。

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