GH4169是一種高硬度、高強(qiáng)度、耐腐蝕和耐高溫的鎳基合金材料，具有良好的抗疲勞、抗蠕變、抗氧化和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空、宇航制造等領(lǐng)域。但是，GH4169屬于典型的難加工材料，切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重、塑性變形大，加工過程存在切除率大、耗時(shí)長與成本高等問題。
插銑法又稱Z軸銑削法，是一種能夠在Z軸方向上快速銑削大量金屬的加工方式。插銑加工具有徑向力小、刀具懸伸量大與加工效率高等特點(diǎn)，特別適用于型腔及難加工材料的粗加工或半精加工。因此，使用插銑法來加工高溫合金類難加工材料，能夠顯著提高加工效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。
國內(nèi)外學(xué)者對于插銑進(jìn)行了大量的研究，Tlusty等將插銑加工方法應(yīng)用于垂直壁板類零件的加工。Rauch.M等將插銑法用于型腔銑削，對該方法在鋁合金加工中的潛力進(jìn)行評估，并與傳統(tǒng)的加工方法在切削效率、加工質(zhì)量和刀具動態(tài)性能等方面作了比較。Altintas等研究了插銑加工的顫振穩(wěn)定性，介紹了插銑加工的頻域模型和顫振穩(wěn)定性預(yù)測理論，并建立了再生切屑厚度模型。秦旭達(dá)等針對鈦合金(Ti-6Al-4V)的切削特點(diǎn)，研究了Ti-6Al-4V的插銑過程，分析了切削力的特點(diǎn)，建立了鈦合金(Ti-6Al-4V)插銑切削力模型，并對切削力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。任軍學(xué)等針對鈦合金整體結(jié)構(gòu)件粗加工的插銑和側(cè)銑工藝，從切削力、切削穩(wěn)定性、切削溫度等方面進(jìn)行了切削試驗(yàn)和對比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，與側(cè)銑相比，插銑切削力小、切削溫度低且切削穩(wěn)定性高。但是，關(guān)于高溫合金的插銑研究還比較少，尤其對難加工材料GH4169插銑加工中的刀具耐用度問題的研究更少。本文通過GH4169插銑試驗(yàn)，對切削過程中切削參數(shù)對刀具壽命的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，為高溫合金GH4169在粗加工時(shí)插銑參數(shù)的選取、刀具耐用度的提高提供了依據(jù)。
1? GH4169插銑試驗(yàn)
(1)試驗(yàn)條件
選用VMC850三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床，最大轉(zhuǎn)速8000r/min，最大功率22kW；刀具選用直徑12mm、齒數(shù)為4、K40硬質(zhì)合金立銑刀，前角4°，后角10°，螺旋角40°；冷卻方式采用Blasor切削液進(jìn)行冷卻；加工方式為順插；采用JSM-6380LA掃描電鏡觀察刀具的磨損形貌；采用工具顯微鏡測量刀具后刀面磨損量，精度為0.01mm；試件材料為高溫合金GH4169，長方體，幾何尺寸150mm×90mm×30mm。
(2)試驗(yàn)方案及結(jié)果
插銑加工方式如圖1所示，其中ae為徑向切深，ap為插銑深度，S為步距。插銑加工時(shí)，通常銑刀從工件加工部位的邊緣處開始銑削，刀具沿主軸方向做進(jìn)給運(yùn)動，每刀一直插銑到預(yù)定深度，軸向抬刀，水平進(jìn)刀一個(gè)步距S，移動到下一個(gè)加工點(diǎn)，再進(jìn)行第二刀插銑；如此反復(fù)，直至加工完成。

插銑示意圖
針對GH4169粗加工插銑時(shí)的刀具壽命問題設(shè)計(jì)了三因素四水平正交試驗(yàn)，選取的因素、水平值和試驗(yàn)的方案及測試結(jié)果如表1所示。
插銑試驗(yàn)過程中，刀具的磨損主要發(fā)生在刀具的后刀面，每切削一段行程后，觀察后刀面的磨損形貌，測量后刀面的磨損量。當(dāng)觀測到磨損值達(dá)到刀具失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)切削路徑計(jì)算刀具的切削時(shí)間，總的切削時(shí)間即為刀具壽命。刀具失效判斷準(zhǔn)則是基于以下一個(gè)或兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的綜合：后刀面最大磨損量VBmax=0.6mm；刀面出現(xiàn)較大范圍的破損、崩刃或剝落。
?正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

?2? 試驗(yàn)結(jié)果與分析
(1)刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式
根據(jù)表1中刀具壽命的測試結(jié)果，運(yùn)用MATLAB軟件，采用多元線性回歸分析法進(jìn)行擬合，得到粗加工插銑高溫合金GH4169的刀具壽命與切削用量之間的多元線性回歸方程為

(1)
???????? 刀具壽命與切削用量之間的經(jīng)驗(yàn)公式為

(2)
為了檢驗(yàn)回歸方程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度，對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。采用F值檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。F值大于F0.01(3,12)=5.95，回歸方程十分顯著，與實(shí)際情況擬合較好，可用于刀具壽命的預(yù)測計(jì)算和分析。
回歸方程方差分析表

(2)切削參數(shù)對刀具壽命的影響規(guī)律
從刀具壽命的經(jīng)驗(yàn)公式(2)可以看出，三個(gè)切削參數(shù)均和刀具壽命呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。切削速度Vc對刀具壽命的影響非常顯著，其次是每齒進(jìn)給量fz，而徑向切深ae的影響最小。
①? 切削速度對刀具壽命的影響
圖2為刀具壽命隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可看出，在硬質(zhì)合金刀具插銑加工GH4169時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速(切削速度)增加，刀具壽命下降較快。在500r/min-2000r/min的速度范圍內(nèi)時(shí)，刀具壽命從22.88min急劇減至4.39min，這主要是因?yàn)榍邢鳒囟入S著轉(zhuǎn)速(切削速度)的提高而升高，粘結(jié)磨損加劇，使刀具容易被磨損或形成缺陷，導(dǎo)致破損。從總體來看，隨著轉(zhuǎn)速(切削速度)的增加，刀具壽命下降的趨勢有所減緩。

?刀具壽命隨轉(zhuǎn)速的變化曲線
②每齒進(jìn)給量對刀具壽命的影響
圖3為刀具壽命隨每齒進(jìn)給量fz的變化曲線。由圖可知，在硬質(zhì)合金刀具插銑GH4169時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量的增加，刀具的使用壽命下降較快；當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.005mm/z逐漸增加到0.008mm/z時(shí)，刀具壽命從11.97min減至7.59min。這主要是因?yàn)槊魁X進(jìn)給量影響未變形切屑層的厚度，順插銑條件下，增大每齒進(jìn)給量，在刀具切入工件的瞬間會使刀具受到較大沖擊力，從而影響刀具的使用壽命。

圖3? 刀具壽命隨每齒進(jìn)給量的變化曲線
③徑向切深對刀具壽命的影響
圖4為刀具壽命隨徑向切深ae的變化曲線。由圖可知，在硬質(zhì)合金刀具插銑GH4169時(shí)，隨著徑向切深的增加，刀具的使用壽命下降較快。當(dāng)徑向切深從2mm增至3.5mm時(shí)，刀具壽命從13.98min減至8.84min。這主要是因?yàn)閺较蚯猩钣绊懖邈姷拿娣e，徑向切深越大，刀具和工件接觸面越大，受力越大，從而影響刀具的使用壽命。
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刀具壽命隨徑向切深的變化曲線
(3)刀具的磨損形貌
選取表1中刀具壽命相對較長的第六組切削參數(shù)對GH4169進(jìn)行插銑。插銑17刀后，刀具出現(xiàn)破損。圖5為刀具后刀面磨損量隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，在硬質(zhì)合金刀具插銑GH4169過程中出現(xiàn)了初期磨損、正常磨損及劇烈磨損三個(gè)階段。

?圖5? 刀具后刀面磨損量隨時(shí)間的變化曲線圖
6a為插銑GH4169過程中刀具后刀面的前期磨損階段。歷時(shí)1min左右，可以觀察到此時(shí)的后刀面清晰地出現(xiàn)了一條窄帶，這是由于新刀具的刃口很鋒利且壓強(qiáng)大，致使其磨損加快，從而使刃口壓強(qiáng)減小，此時(shí)在刀具后刀面上產(chǎn)生的磨損均勻，為“磨料磨損”。
為刀具后刀面的正常磨損階段。大約1-13min，可以觀察到刀具的后刀面磨損量隨時(shí)間的增加而均勻地增加，并隨著刀刃上位置的變化磨損量也有所增加。這是由于隨著刃口的壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定后，刃口的磨損也隨著壓強(qiáng)的增加而緩慢增加。此時(shí)在后刀面的磨損均勻，仍為“磨料磨損”。
圖6c為發(fā)生在加工最后3min的刀具后刀面的劇烈磨損階段。該階段刀具的磨損開始明顯加快，在16min時(shí)刀具的后刀面磨損值VB=0.38mm，刀具的后刀面已開始出現(xiàn)崩刃，整個(gè)后刀面呈現(xiàn)出鋸齒狀。這是由于在磨損加劇的情況下，切削時(shí)的摩擦力逐漸增大，切削溫度上升較快，促使刀具磨損更加劇烈，單位時(shí)間內(nèi)的磨損量越來越大；此時(shí)后刀面的磨損分為兩種：切削材料厚度小的后刀面呈現(xiàn)出“磨料磨損”；在切削厚度大的后刀面上出現(xiàn)“擴(kuò)散磨損”。

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