GH4169高温合金是一种高合金化的Ni基时效合金,Cr为重要合金元素,同时选取Co、、、W、、、Mo、、、Al、、、Ti、、、Nb、、、Mg、、、B等元素进行综合强化[1-3]。因其在高温、、、超高温前提下拥有优良的高温力学机能和抗高温氧化能力,持久服役于温度领域在650℃~1000℃的环境中，重要作为航空发起机零部件、、、燃气轮机叶片及航空发起机涡轮盘等必要耐高和善耐侵蚀机能零部件的关键资料。由于高温合金拥有强度高、、、热导率低、、、塑性高和韧性大的特点，因而在切削加工时会晤对切削热高与切削力大的挑战，资料内部易产生加工硬化景象，刀具亦会产生磨损、、、黏结和扩散等多种大局的磨损，进而严重影响刀具使役寿命，最终降低成型件加工质量[6-7]。

铣削方式对切削温度、、、切削力和资料理论质量等成分拥有重大影响，超声辅助铣削(UAM)是一种通过超声波给刀具施加高频振动，从而实现微观上刀-屑分离的加工技术[8]。通过超声波的高频振动，能够降低切削阻力、、、提高加工精度和理论质量,同时耽搁刀具使用寿命[9-11]。对于UAM的加工,近年来国内外学者对其发展大量的钻研。AZARHOU等[12-13]通过使用超声振动辅助钻削的加工方式对镍基高温合金Inconel738-LC进行了试验钻研，并与通例钻削方式进行对比。钻研发现，在超声振动加工下的孔，其圆度、、、圆柱度、、、孔外径和理论粗糙度都被分歧水平地优化，从而显著提高了加工质量。肖强等[14]也通过成立超声振动铣削镍基高温合金的铣削力模型，仿真分析铣削力与超声振动的频率、、、振幅之间的关系，并进行试验验证。了局批注:使用超声振动辅助铣削后，在肯定领域内，随着超声波频率和振幅的增大，铣削力减小，试件切削痕迹滑润、、、理论描摹圆润，显著改善了加工理论质量。Maurotto等对AlSi316L资料在40kHz~60kHz超声频率辅助下铣削与通例铣削相比钻研，超声振动辅助铣削有效改善理论质量、、、降低残存应力倪陈兵也对钛合金进行超声辅助铣削和传统铣削的对比钻研[16],钻研了局批注:超声振动能够降低铣削力峰值,使切削力相比传统铣削降低60%左右;超声辅助振动铣削后的已加工理论描摹也比传统铣削有显著提高。

综上所述，因而探索GH4169分歧铣削方式下对切削温度、、、切削力和资料理论质量的影响法规至关重要。国内外学者通过试验已经验证超声辅助加工在车削、、、钻孔高温合金与铣削其他金属等方面提供了更好的机能，但是在铣削高温合金方面较为短缺系统性的法规总结。本文首先利用ABAQUS仿真软件进行切削仿真,别离成立通例切削与超声振动辅助切削方式下的二维有限元模型,通过理论仿照仿真超声振动在切削机能上的优势。其次过正交试验验证超声振动辅助铣削方式下铣削参数对切削温度、、、切削力和已加工理论质量的影响，为高温合金GH4169的现实加工提供了理论支持和技术领导。

1、、、有限元仿真仿照

1.1模型成立

在软件ABAQUS上成立二维铣削仿真模型,通过此模型的仿照,重点关注超声振动辅助切削对比通例切削机遇能的变动法规。成立刀具及工件模型，刀具为二维平面刀具，前角3°,后角5°。工件尺寸长4mm高1.5mm,底端固定。成立温度-位移耦合分析步，并对刀具和工件划分网格，如图1所示。网格单元类型为CPE4RT:四结点热耦合平面应变四边形单元,网格细化区域深度为0.6mm。

1.2资料本构和危险准则

为了仿照资料去除和切屑分离，需提供资料的流动应力模型作为应变、、、应变率和温度的函数。流动应力与应变、、、应变率和温度之间的关系由数学关系(本构方程)界说。资料本构模型是成功仿照切削过程的最重要成分，且是仿真推算中的主题问题之一，分歧的本构模型参数会对模型产生分歧的影响。J-C模型[17]于1983年提出后备受关注，其重要利用于金属资料在大变形、、、高应变率、、、高温前提的本构模型。而资料的切削过程就是一个在高速情况下的变形响应，J-C本构模型可描述应变、、、应变率和温度三者的耦合对应力的影响,其表白式(1)如下所示。

式中:p为等效塑性应变率; ε p 为等效塑性应变; σ为等效流动应力;po为准静态塑性应变率;T、、、T、、、Tm别离为瞬时温度、、、环境温度、、、工件资料的熔点温度;A、、、B、、、C、、、n和m为资料常数，具体数值,见表 1 [18]。

表1 GH4169J-C本构模型参数

工件资料切屑的分离准则能够阐发出切削过程的物理性质。当资料的温度和应变率增长时,资料失效的可能性也会随之增长。本文选取了 J-C断裂准则 [18],该准则合用于资料在高速高压下的变形,综合思考了应变、、、应变率、、、应力和温度对切削过程的影响。公式的表白为式(2)、、、式(3), D1-D5参数,见表 2。 G H4169的其他机能参数,见表 3 [19]。

表2 GH4169J-C断裂准则参数

表3 GH4169其他机能参数

1.3仿真参数设置

各组仿真切削参数见表4。仿照分歧切削参数在通例切削和超声振动切削下的切削机能,通例切削仿真为 CM1、、、CM2、、、CM3,超声振动仿真切削仿真为 UAM1、、、UAM2、、、UAM3。超声振动仿真切削参数与通例铣削一样,别离在工件的 X方向(切削速度方向)和 Y方向(切削深度方向)赋予简谐振动的幅值函数,其中频率 f =  10kHz,纵向振幅 A =  1μm、、、横向振幅B=1μm初始相位角为β=90°。

表4仿真参数

1.4仿真了局分析

1.4.1应力场、、、温度场仿真

如图2所示,为随机整个功夫段工件位移曲线,工件的振动频率在 10kHz,振幅在 1μm,与设置的超声振动参数齐全吻合。如图 3所示,为仿真切削过程中的应力场云图(CM3、、、UAM3)。

通过度析发现，切削过程中在第一变形区产生了应力集中,这是由于切削时产生了剪切滑移变形所导致的。在超声振动切削过程中,由于刀具在切削方向上存在超声振动,因而切削是断续进行的。在一个振动周期内,刀具只有部门功夫在有效切削，其切削过程分为刀具切削退出过程以及刀具切削进入过程。在一个周期内，刀具以极高的峰值速度冲击资料,最大Mises应力散布于剪切区。随后速度减缓,导致最大Mises应力值降落。随后速度进一步降低至退刀。实现退刀后，刀具再次冲击切屑，并循环进行。

超声振动的应力集中区域显著低于通例切削，这是由于振动切削可能扭转切削过程中资料的应变行为，降低切削过程中的流动应力，从而改善加工成效和工件的加工质量。超声振动对切削区域的应力有肯定影响，能够在肯定水平上削减切削过程中产生的应力。如图3两种切削方式下应力云图散布。通例切削的最大应力为2197MPa,而超声振动切削在刀具切入工件阶段时，由于工件第一变形区受到挤压，其最大应力为2213MPa高于通例切削。而在刀具速度减缓至退刀阶段(卸载过程)及再次切入阶段的最大应力均低于通例切削。

统计刀具速度减缓至退刀阶段最大应力了局与通例切削最大应力了局后发现，UAM1对比CM1降落1.5%，UAM2对比CM2降落1.9%,UAM3对比CM3降落4.4%,如图5(a)所示。

如图4所示，为CM3、、、UAM3仿真切削的最大温度了局。通过观察发现施加超声振动后切削区最大温度会显著降低，如图5(b)所示UAM1对比CM1降落3.5%,UAM2对比CM2降落11.9%，UAM3对比CM3降落14.2%。重要原由于超声振动切削的抖擞为用使得刀具与工件频仍的分离,分离是没有进行切削，振动切削刀具的高频抖擞为用下，切削速度加快,切削频率增长,使得切削区域内的热量更快地被开释出来。并且超声振动切削时会使工件摩擦系数降低[20],摩擦热会相应削减。

1.4.2切削力

通过对刀具反力的输出提取切削力的变动情况,如图6所示。

通过度析发现超声振动切削能大幅度的减小切削力。刀具与工件的周期性分离会降低加工过程中的均匀切削力2]。提取各组切削力的均匀值进行对比,如图7所示。

UAM1对比CM1的切削力在X方向降落了40.9%,Y方向降落了31.5%,UAM2对比CM2的切削力在X方向降落了34.4%,Y方向降落了40.8%,UAM3对比CM3的切削力在X方向降落了15.1%，Y方向降落了50%。仿真了局批注，超声振动切削能够减小刀具进给方向和垂直方向切削力，且通过度析仿真了局数据，最大可减小50%的切削力，最小可减小11%的切削力。

2、、、试验资料与步骤

2.1试验前提

加工系统如图8所示。

蕴含CNC立式加工中心、、、FLIR T630sc热像仪、、、瑞士kistler力传感器和Dynoware软件组成的切削力丈量系统以及数控波超声产生器以及超声刀柄组成的超声振动切削系统。试验资料为50mm6mm10mm的GH4169高温合金，刀片为硬质合金材质，刀具为直径12mm的单刃方肩铣刀。加工过程中使用测力仪丈量系统输出切削力，通过红皮毛机实时丈量切削温度。试验实现后，使用VHX-2000C超景深光学显微镜观察工件理论描摹与刀具磨损,使用便携式粗糙度仪丈量粗糙度。

2.2试验参数

设计了通例与超声振动三成分三水平的正交对比试验，进行正交分析与对比分析,通例试验切削参数见表5,铣削宽度固定为10mm。超声振动试验切削参数与通例试验一样，并在此基础上增长超声振动载荷。超声波产生器提供20000Hz的超声频率,通过超声刀柄转化为振幅,振幅值为1μm,达到超声振动铣削的成效。

表5正交试验参数表

3、、、了局与会商

3.1切削力和切削温度分析

通过度析测力仪采集的切削力原始数据如图9所示、、、热像仪采集的温度场数据如图10所示,得到切削力和切削理论温度的试验了局, F x 为径向切削力, F z 为轴向切削力, F y 为进给切削力。提取铣刀每转过一刃阶段三个方向的切削力峰值的均匀值，提取热像仪右侧图例中的最大温度为切削温度，见表6、、、表7。

表6通例试验切削力、、、切削温度了局

表7超声振动试验切削力、、、切削温度了局

通过度析发现，超声振动铣削对比通例铣削切削力降落显著，FxU5较C5降落率最高约为56%，U2较C2降落率最低约为7%。FyU5较C5降落率最高约为70%,U6较C6降落率较低约为1.8%。F2U6较C6降落率最高约为42%,U3较C3降落率最低约为4.7%。超声振动切削的切削力降落重要原由于:切削过程中资料的降低屈服阈值，超声振动切削能够通过抖擞为用扭转切削区域资料的应力状态，降低了资料的屈服极限,使资料更容易产生塑性变形,并改善了切削过程的不变性,减小了切削区域的摩擦阻力,从而降低了切削力的巨细。切削温度降落率最高可至34%(U2)。U1至U6对比C1至C6切削温度降落较大，别离为10%、、、34%、、、12%、、、14%、、、22%、、、32%，而U7、、、U8、、、U9的切削温度降落较低。其原因在于切削速度大在切削区域产生了较高的热量，但是在超声振动切削过程中，由于抖擞为用可能会导致切削区域内的部门热量堆集，影响了切削温度的降落。因而，超声振动切削并不能有效降低较高切削速度的部门热量堆集。

3.2刀具磨损及已加工理论分析

使用理论粗糙度仪，如图11所示。别离在已加工理论拔取5个测试点进行丈量，将丈量了局取均匀值得到每组试验的理论粗糙度值。

选取VHXJ250超景深三维立体光学显微镜对理论描摹和刀具磨损进行检测如图12所示，丈量数据见表8。

表8理论粗糙度及刀具磨损试验了局

通过理论描摹观察到，通例加工时，已加工理论出现较多的划痕和显著进给量的痕迹，而超声振动切削痕迹不是很显著，进给量痕迹被超声振动切削痕迹所覆盖。通过引入高频细小振动,可能降低切削区域的摩擦阻力,减小切削力,降低切削温度,从而削减理论热危险和切削变形,提高加工理论粗糙度，且振动切削使刃具与工件之间的接触状态越发活化、、、有利于切削进给过程中切削刃具更好的接触加工理论，减小了顶刀和被切削资料的接触面积，有利于提高破碎切屑，从而预防了毛刺和划痕的产生。通过数据对比发现，超声振动铣削各组试验在理论粗糙度和刀具磨损方面有分歧水平的降低。通过数据对比通例切削如图13所示，为各组尝试的理论粗糙度值和刀具磨损值及相应的降落率，发现理论粗糙度最多降低了49%(U4),刀具磨损值最多降低了63%(U5)。

对超声振动的正交试验了局进行极差分析如表9、、、表10所示。首先分析理论粗糙度了局。主轴转速、、、每齿进给量、、、切削深度的极差别离为0.085、、、0.048、、、0.077,影响理论粗糙度的主次关系为主轴转速>切削深度>每齿进给量。其参数优化为主轴转速2500r/min,每齿进给量0.05mm/z,切削深度0.2mm。分析刀具磨损了局。主轴转速、、、每齿进给量、、、切削深度的极差别离为55.67、、、73.33、、、56.67。影响主次关系为每齿进给量>切削深度>主轴转速，参数优化了局为主轴转速2000r/min,每齿进给量0.03mm/z,切削深度0.2mm。通过数据分析发现，超声振动铣削GH4169时，不宜选用过大的切削深度和每齿进给量,不然会出现理论质量较差、、、刀具磨损严重的情况。切削深度不宜超过0.2 mm,每齿进给量不宜超过0.05mm/z。

表9理论粗糙度极差分析表

表10刀具磨损极差分析表

4、、、结论

在本钻研中，首先重点分析超声振动加工在切削机能和理论质量上的优势，通过二维切削仿真得到了切削力、、、温度场、、、应力场等数据。其次通过铣削对比试验得到了切削力、、、切削温度、、、刀具磨损、、、理论粗糙度、、、理论描摹等数据。通过对上述数据的深刻钻研得到以下结论:

(1)通过仿真分析，发现超声振动的应力集中区域显著低于通例切削，并在肯定水平上能削减切削过程中产生的应力,通过对比发现UAM1比CM1降落1.5%,UAM2比CM2降落1.9%，UAM3比CM3降落4.4%。与CM相比，UAM的温度场中切削区的最大温度显著降低，UAM1比CM1降落3.5%,UAM2比CM2降落11.9%,UAM3比CM3降落14.2%。通过对比切削力数据发现，超声振动切削能够减小刀具进给方向和垂直方向切削力。刀具与工件的周期性分离会降低加工过程中的均匀切削力。切削力最大可减小50%，最小可减小11%。

(2)通过正交对比试验发现，超声振动铣削对比通例铣削切削力降落显著，与仿真趋向一致。F降落率最高为56%,降落率最低为7%。F，降落率最高为70%,降落率最低为1.8%。F2降落率最高为42%，降落率最低为4.7%。通过度析试验的温度数据发现，U1至U6对比C1至C6切削温度优势较为显著，降落幅度别离为10%、、、34%、、、12%、、、14%、、、22%、、、32%，而U7、、、U8、、、U9的切削温度与通例相差不大。

(3)在刀具磨损和理论描摹方面，超声振动铣削划痕和进给量的痕迹显著削减，并且提高了加工理论粗糙度，通过对比各组试验数据发现，U4比C4理论粗糙度降落比率最大，为49%。与通例切削相比，超声振动切削能够降低刀具磨损值,其中U5对比C5磨损值降落最大为63%。

(4)对正交试验了局进行极差分析得到:影响理论粗糙度的主次关系为主轴转速>切削深度>每齿进给量。参数优化为主轴转速2500r/min,每齿进给量0.05mm/z,切削深度0.2mm。影响刀具磨损主次关系为每齿进给量>切削深度>主轴转速，参数优化了局为主轴转速2000r/min，每齿进给量0.03mm/z,切削深度0.2mm。且铣削GH4169时不宜选用过大的切削深度和每齿进给量，切削深度不宜超过0.2 mm,每齿进给量不宜超过0.05mm/z。

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（注，原文标题：超声振动辅助铣削镍基高温合金GH4169的切削机能钻研）