高速铣削钴基高温合金的铣削力研究

摘要：钴基高温合金是一种超耐热、高抗热腐蚀能力的合金材料，受到其此类优势的影响，该材料已经充分应用于航空航天等领域。但是在实际应用过程中，钴基高温合金自身存在导热系数小、摩擦系数大等原因，在器具加工过程中，容易出现刀具磨损严重等问题，进而影响器具后续应用质量和寿命。此次研究选用钴基高温合金为实验材料，使用多种铣削刀具，进行高速铣削实验，对钴基高温合金的铣削力进行研究，探讨高速铣削下钴基高温合金的最佳参数，望促进此次研究领域进步。

关键词：高温合金；铣削；铣削实验；

钴基高温合金是一种超耐热、高抗热腐蚀能力的合金材料，被广泛应用于航空航天、海运轮渡等领域，然而由于钴基高温合金自身存在热硬性、加工硬化等问题，导致此类材料在铣削过程中存在加工性差等问题，具体表现在划痕严重、崩刃等方面，不仅影响加工效率，更影响器具的使用寿命。着航空航天等高科技领域的快速发展，对钴基高温合金部件的加工精度和表面完整性的要求越来越高。传统的切削加工方法已难以满足这些要求，因此，高速切削技术应运而生。高速切削技术以其高切削速度、高进给速度和高加工精度的特点，为钴基高温合金的加工提供了新的解决方案。在高速切削过程中，铣削力是影响加工质量、刀具耐用度和加工效率的关键因素之一。因此，深入研究高速铣削钴基高温合金的铣削力，对于优化切削参数、提高加工质量和效率具有重要意义。本研究旨在通过试验和理论分析，探讨高速铣削钴基高温合金时切削参数对铣削力的影响规律，为实际加工提供理论指导和技术支持。

1实验背景

首先，钴基高温合金作为一种重要的工程材料，在730～1100℃条件下具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力，被广泛应用于制造航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片、喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等关键部件[1]。但是在实际加工过程中，钴基高温合金受到自身热硬性等特性的影响，虽然在加工过程中始终保持高强度，但是自身硬化速度较快，所以容易出现明显划痕，进而出现崩刃现象。此类特性使得钴基高温合金的加工变得相当困难，对刀具的耐用度和切削效率构成了严峻挑战。其次，钴基高温合金在加工过程中，为了保证加工精准度和后续工件使用寿命，需要充分考虑钴基高温合金的加工精准度、表面质量、铣削刀具等加工因素，对于钴基高温合金这类难加工材料，由于其特殊的物理和机械性能，切削过程中会产生较大的切削力和切削温度，导致刀具磨损严重，加工效率和质量受到严重影响[2]。因此，研究高速铣削钴基高温合金时的切削力变化规律，对于优化切削参数、提高加工效率和质量具有重要意义。最后，随着现代制造技术的不断发展，高速切削技术以其高效率、高精度和低能耗等优点，在航空航天、汽车、模具等制造领域得到了广泛应用。然而，对于钴基高温合金这类难加工材料的高速切削加工技术，目前仍存在许多亟待解决的问题。因此，开展高速铣削钴基高温合金的铣削力研究，对于推动高速切削技术在难加工材料加工领域的应用和发展具有重要意义。

2实验分析

2.1实验材料与设备

（1）工件材料与设备

此次研究所选钴基高温合金实验材料为25mm×25mm×50mm长方体块，化学成分如表1所示，物理力学性能如表2所示[3]-[4]。

（2）刀具

此次实验刀具包含Φ4硬质合金涂层铣刀（瓦尔特公司）、Φ2硬质合金涂层铣刀（瓦尔特公司）、Φ4陶瓷铣刀（肯纳公司）。

（3）测力系统

此次实验测力系统选用Kistler 9272测力仪和Kistler 5070A电荷放大器。

（4）粗糙度测试仪

此次实验粗糙度测试仪选用MahrPS1粗糙度仪，仪器配以6mm探头对工件粗糙度进行取样测量。

2.2实验方案与结果

2.2实验方案

实验主要针对三种刀具进行铣削力研究。实验前，首先将基准用量做出确定（如表3所示）[5]-[8]。

2.3实验结果

（1）Φ4硬质合金涂层铣刀（瓦尔特公司）实验数据

针对实验样本进行实验，得出以下实验结论（如图1所示）：总体而言，样本铣削力随着给量增大而增大。从图1（左）数据进行分析，轴向切深＜0.4mm时，实验样本呈现出的铣削力最小，但是整体性能最为稳定。随着给量增加，切削性能逐渐变得不稳定，最终给量达到0.6mm时，出现崩刃现象；从图1（中）数据而言，当给量在1mm、2mm、4mm时，此时的实验器具切削力虽然最小，但是相对性能较为稳定，同样随着给量增加而增加；从图1（右）而言，当实验进给量在0.6mm/z时，此时的实验器具切削力虽然最小，但是相对性能较为稳定，同样随着给量增加而增加。当数据达到0.083mm/z时，切削力明显增大，当数据达到0.1mm/z时，样本崩刃。基于此，可选择轴向切深为0.4mm，径向切深为4mm，进给量为0.066mm/z作为加工数据。

（2）Φ2硬质合金涂层铣刀（瓦尔特公司）实验数据

针对样本进行实验，得出实验结论（如图2所示）：总体而言，样本铣削力随着给量增大而增大。从图2（左）数据进行分析，轴向切深＜0.4mm时，实验样本呈现出的铣削力最小，但是整体性能最为稳定。随着给量增加，切削性能逐渐变得不稳定，最终给量达到0.6mm时，出现崩刃现象；从图2（中）数据而言，当给量在1mm、2mm、4mm时，此时的实验器具切削力虽然最小，但是相对性能较为稳定，同样随着给量增加而增加；从图2（右）而言，当实验进给量在0.012mm时，此时的实验器具切削力虽然最小，但是相对性能较为稳定，同样随着给量增加而增加。当数据达到0.014mm/z时，切削力明显增大，当数据达到0.1mm/z时，样本崩刃。基于此，可选择轴向切深为1.2mm，径向切深为0.3mm，进给量为0.018mm/z作为加工数据。

（3）Φ4陶瓷铣刀（肯纳公司）实验数据

针对Φ4陶瓷铣刀（肯纳公司）样本进行实验，总结出铣削力随轴向切深、径向切深、进给量变化规律（如图3所示）。如图所示，铣削力均随给量增大而增大。从轴向切深数据而言你，深度＜0.8mm时，铣削力最小，相对而言，切削性能最为稳定。而当切深达到1.2mm时，出现微微震动现象，切削性能逐渐变得不稳定。当进给量达到1.5mm时，刀具崩刃；从径向切深数据而言，进给量在＜0.4mm时，切削力均较小，切削性能稳定；当进给量＜0.0075mm/z时，切削力较小，相对性能最为稳定。而当进给量逐渐增大，达到0.01mm/z时，切削力明显增大，出现不稳定现象。而当进给量逐渐增大，达到0.0125mm/z时，样品出现剧烈震动现象，最终崩刃。基于数据分析，为了保证Φ4陶瓷铣刀（肯纳公司）的铣削性能，可选择轴向切深为1.2mm，径向切深为0.4mm，进给量为0.0075mm/z作为加工数据。

3实验结论

通过铣削实验，针对三种样品数据做出相应确定（如表4所示）。

总结：本研究通过系统的试验和理论分析，深入探讨了高速铣削钴基高温合金时切削参数对铣削力的影响规律。研究结果表明，每齿进给量和径向切宽是影响铣削力的主要因素，而切削速度对铣削力的影响相对较小。综合此次研究成果，本研究通过实验得出的铣削数据可用于指导实际加工中的切削参数选择。通过优化切削参数，可以在保证加工质量的同时，提高加工效率和降低加工成本，对于钴基高温合金在航空航天等高科技领域的应用具有重要意义。尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处，如此次研究主要关注了切削参数对铣削力的影响，而对于其他加工指标（如表面粗糙度、加工精度等）的研究尚不够深入。此外，随着切削技术的不断发展，新的刀具材料和切削工艺不断涌现，这些新技术对钴基高温合金高速铣削加工的影响也值得进一步研究，在后续的研究中，笔者也将深耕本领域，进行深入研究，望通过理实研究促进本领域研究创新与进步。

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