航空石油装备用高温合金GH4169铣削振动试验研究

前言

目前，GH4169合金已普遍用于航空航天、船舶、汽车制造、石油装备等重要加工制造领域。镍基高温合 金是 以镍为基体，在高温高压条件下仍然具有良好综合性能的合金。因其优良的抗氧化和抗腐蚀性，以及高 温下 保持高强度的性能，使其成为目前应用最广泛的高温合金［1］。它在650℃以下的屈服强度居变形高温 合金 的首位，具有良好的抗疲劳、耐腐蚀性能及良好的加工性能和长期组织稳定性，能够用于制造各种形状 复杂 的零部件［2］。

近年来，许多学者针对高温合金GH4169铣削过程中的振动规律进行了大量的研究。如针对薄壁工件的强 迫振 动响应，建立了圆角立铣刀，基于力学方法、试验模态分析方法、直接时域求解方法，得出了薄壁结构 受切 削力激励产生的强迫振动响应［3］；为获得更加精确的高速铣削钛合金表面粗糙度预测模型，采集铣 削过 程加速度振动信号，分析铣削系统的振动特性对表面粗糙度的影响［4］；铣削参数的确定方面，在已 知铣 削过程中的动态位移和动态切削力的前提下，建立了薄壁件侧铣工艺系统的动力学模型和薄壁件再生颤 振系 统的传递函数，为稳定的切削参数的确定提供了参考［5］；针对高温合金GH4169进行高速铣削正交试 验， 通过极差分析法研究铣削速度、铣削深度、每齿进给量对加工材料表面粗糙度的影响程度［6］；通过 正交 试验研究切削速度、铣削深度、铣削宽度、每齿进给量对表面粗糙度的影响，采用极差分析和方差分析 确定 最小表面粗糙度的最佳参数组合［7］。

为了提高工件的加工精度和表面质量，本文作者以高温合金GH4169为研究对象，用加速度传感器对信号 进行 测量，对振动幅度进行分析。研究其变化规律及变化原因，同时对比同一组参数下振动与切削力之间存 在的 对应关系，为GH4169铣削参数的合理选择提供参考依据。

1、铣削振动试验系统的建立

在理论分析的基础上，建立了一套铣削振动测试系统，研究高温合金在铣削过程中各种工艺参数对加工 振动 的影响，并以此为基础进行研究，以获得更好的高温合金GH4169铣削工艺参数。

1.1 试验工件及铣刀

试验采用的工件材料为镍基高温合金GH4169，已经过时效处理，工件为100mm×60mm×55mm的长方体。 试验 刀具材料采用硬质合金ＫＣ725Ｍ，刀片是后角11°的正方形硬质合金ＳＰＥＲ150408ＥＮＧＢ刀具。

1.2 试验设备

铣削试验所使用的加工设备是ＸＡ5032立式升降台铣床。行程700mm×255mm×370mm，工作台面尺寸 320mm× 1250mm，主轴转速30～1500r/min，主轴电动机功率7.5KW。

1.3 测量仪器

测量所用的仪器主要由4508Ｂ001型加速度传感器、Brüｅｌ＆Ｋｊæｒ振动与噪声分析仪和Ｄｅｌｌ计 算 机构成，为满足铣削加工振动试验研究的要求，搭建了如图1所示的铣削试验平台。振动测试的试验设 备与仪器如图2所示。试验中将加速度传感器贴到工件上，通过测量振动的加速度电压信号反映振动的速度 和振 幅信号。传感器接收到的振动信号通过电流放大器和数据采集卡进行运算、分析后，显示测量结果并保存。

设计试验时考虑到需分析切削力与振动之间的关系，切削力试验与振动试验采用相同的切削参数，因为 在装 夹工件时，工件的底面与机床床身的接触也在ｚ方向，可以近似看作是刚性的全约束连接，在ｚ方向上所产 生的振动可以忽略不计。测量时只采集了ｘ、ｙ2个方向的振动数据，因此，试验中将加速度传感器仅安装在工件的ｘ方向与ｙ方向。

2、试验方案设计

在铣削高温合金GH4169过程中，不同的铣削参数对工件振动影响也不一样，为了研究铣削参数的变化对 工件 振动的影响规律，设计了单因素试验，研究不同铣削参数对工件振动的影响规律，并结合表面粗糙度的 变化 情况进行综合分析。

研究切削速度对振动的影响，选择进给速度v_f为150mm/min，轴向切深a_p为0.8mm，径向切深a_e为20mm， 切削 速度v_c分别为18.84、47.10、994.20、149.15、298.30m/min；研究进给速度对振动的影响，选择切削 速度 v_c为94.20m/min，轴向切深a_p为0.8mm，径向切深a_e为20ｍｍ，进给速度v_f分别为60、95、150、190、 235mm/min；研究轴向切深对振动的影响，选择切削速度v_c为94.20m/min，径向切深a_e为20mm，进给速 度v_f为150mm/min，轴向切深a_p分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mm。

3、试验结果与分析

在已建立的试验平台基础上，根据选定的铣削参数，对铣削过程中ｘ、ｙ方向的振动数据进行测量，并 对提 取的数据进行分析，研究在切削速度、进给速度、轴向切深单一参数改变的情况下，工件的振动特性。

3.1 切削速度对振动的影响

在硬质合金刀具铣削高温合金GH4169的加工过程中，切削速度对振动幅值的影响如图3所示。从图中可 以看出，从总体上看，在ｘ方向上的振幅比ｙ方向的振幅小，振幅并不是随着切削速度的变化呈线性变化， 且ｘ 、ｙ2个方向上的变化趋势相反。当切削速度小于150mm/min时，ｘ方向上振动幅值随着切削速度的增加而逐渐增加，而后ｘ方向振幅开始减小；当切削速度小于150mm/min时，ｙ方向上振动幅 值随 着切削速度的增加呈现出大致反比线性的减小，而后突然急剧增大。

将铣削速度与ｙ方向振幅进行多项式拟合，得到拟合曲线如图4所示，经求解得到拟合曲线方程为ｙ＝ 9.709 ×10^－4ｘ²－0.2418ｘ＋34.094曲线的相关系数Ｒ1达到0.9923，可以将该曲线作为实际加工中速度与 振幅 的关系曲线来研究。该拟合曲线的对称轴为ｘ＝124.64，因此由拟合曲线得到的振幅最小值出现在切削 速度 v_c＝124.64m/min时，与试验数值吻合。图5为不同切削速度下测得的表面粗糙度曲线，结果显示粗糙度 的变 化与振动幅值变化趋势相同。通常情况下，铣削过程的精加工过程中，对于表面粗糙度的要求是R_a在 1.25～ 2.5μｍ之间。

因此，经拟合曲线及粗糙度的对比得出切削速度vc在40.09～206.49m/min范围内时，表面粗糙度R_a小于 2.5 μｍ。因此，在试验加工条件下，要达到精加工的要求，需控制振动幅值在25.96ｍ/s²以内。

3.2 进给速度对振动的影响

在硬质合金刀具铣削高温合金GH4169的加工过程中，进给速度对振动的影响如图6所示。从图中可以看 出， 其振动幅值随着进给速度的增加而逐渐减小，在ｘ方向上的振幅始终比ｙ方向的振幅小。当进给速度较 小时 ，切削振动随着进给速度的增加而减小，但其减小的速率较大，当进给速度较大时，随着进给速度的增 加， 切削振动的幅值变化很小，并且在进给速度达到一定值时，在ｘ方向上的振幅还有缓慢上升的趋势。在 切削 振动试验过程中采取的进给方向是ｘ方向且是全齿切削，所以切削过程中ｘ方向上的分力是最小的，夹 紧力 作用在ｘ方向上的2个表面，因此在ｘ方向上的夹紧力较大，几乎属于刚性连接，所以很难产生振动。 而ｙ 方向上所具有的夹紧力仅仅是靠夹具与工件之间的摩擦力，从而导致了ｙ方向的振幅大于ｘ方向的振幅 。

在进给速度的单因素试验中，ｙ方向的振动幅值大于ｘ方向，通过试验测量的数据点对进给速度与振幅 的关 系进行曲线拟合，拟合曲线的相关系数Ｒ2为0.9109，结果如图7所示。经求解得到拟合曲线方程为ｙ＝0.0012ｘ²－0.4504ｘ＋71.363拟合曲线与试验数据点相关性较高，通过拟合曲线得到的估算值与 实际 值之间的偏差较小。为保证加工后表面质量达到精加工要求，需测量不同进给速度下得到的表面粗糙度 ，不 同进给速度下表面粗糙度如图8所示。为保证表面粗糙度R_a小于2.5μｍ，利用拟合曲线得到的振动幅值 为 42.9ｍ/s²，对应的进给速度约为83mm/min，在实际精加工过程中，需要控制进给速度在83mm/min以上 。

3.3 轴向切深对振动的影响

在用硬质合金刀具铣削高温合金GH4169时，轴向切削深度对振动幅值的影响，如图9所示，可见振动随 着轴 向切削深度的增加而增加，在ｙ方向上的振幅始终比ｘ方向的振幅大。

随着轴向切深a_p的增加，ｙ方向切削振动并不呈现线性增加趋势，当轴向切削深度较小时，轴向切削振 动随 着切削深度的增加而增加，但其增长较慢，当轴向切削深度较大时，随着轴向切削深度的增加，切削振 动的 幅值增长速率加快，并且在轴向切深达到0.9mm时，振幅迅速增大。

随着轴向切深的改变，ｙ方向振幅总是大于ｘ方向振幅。因此，研究轴向切深与振动幅值的关系时，主 要考 虑与ｙ方向的振幅关系。将轴向切深与振幅进行多项式拟合，得到的曲线如图10所示。曲线的相关系数 Ｒ3 达到0.9075，可以将该曲线作为实际加工中速度与振幅的关系曲线来研究。经求解得到拟合曲线方程为 ｙ＝ 83.428ｘ²－4.9742ｘ＋6.608为保证加工后表面质量达到精加工要求，需测量 不同轴向切深下得到的表面粗糙度，结果如图11所示。为保证表面粗糙度R_a小于2.5μｍ，利用拟合曲 线得 到当轴向切深为0.797mm时R_a达到2.5μｍ，对应的幅值为66.941ｍ/s²。因此，在实际精加工过程中， 需 要控制轴向切深在0.797mm以下，振幅控制在66.941ｍ/s²以下可以保证精加工的表面质量。

4、结论

（1）通过对GH4169高温合金铣削加工进行一系列的试验发现，用硬质合金刀具铣削高温合金GH4169时 ，在 ｘ方向上的振幅总体比ｙ方向的振幅小，在ｘ方向上的切削分力是最小的。

（2）工件在加工过程中的振动剧烈程度和切削速度、进给速度、轴向切深有紧密的联系。振动幅度随 着切 削速度的逐渐增加呈现先减小后增大的变化趋势；随着进给速度的增大，振动幅度逐渐减小，随着轴向 切深 的增加，振动幅度逐渐增大。

（3）为满足表面粗糙度R_a在1.25～2.5μｍ之间的要求，在GH4169高温合金铣削过程中的最优切削 参数v_c为40.09～206.49m/min，v_f为80mm/min、a_p小于0.797mm。在此切削参数下可以有效减小振动强 度， 实现刀具较长耐用周期，使刀具具有很好的经济性，降低生产成本。

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