前言

目前，GH4169合金已普遍用于航空航天、船舶、汽車制造、石油裝備等重要加工制造領域。鎳基高溫合 金是 以鎳為基體，在高溫高壓條件下仍然具有良好綜合性能的合金。因其優良的抗氧化和抗腐蝕性，以及高 溫下 保持高強度的性能，使其成為目前應用最廣泛的高溫合金［1］。它在650℃以下的屈服強度居變形高溫 合金 的首位，具有良好的抗疲勞、耐腐蝕性能及良好的加工性能和長期組織穩定性，能夠用于制造各種形狀 復雜 的零部件［2］。

近年來，許多學者針對高溫合金GH4169銑削過程中的振動規律進行了大量的研究。如針對薄壁工件的強 迫振 動響應，建立了圓角立銑刀，基于力學方法、試驗模態分析方法、直接時域求解方法，得出了薄壁結構 受切 削力激勵產生的強迫振動響應［3］；為獲得更加精確的高速銑削鈦合金表面粗糙度預測模型，采集銑 削過 程加速度振動信號，分析銑削系統的振動特性對表面粗糙度的影響［4］；銑削參數的確定方面，在已 知銑 削過程中的動態位移和動態切削力的前提下，建立了薄壁件側銑工藝系統的動力學模型和薄壁件再生顫 振系 統的傳遞函數，為穩定的切削參數的確定提供了參考［5］；針對高溫合金GH4169進行高速銑削正交試 驗， 通過極差分析法研究銑削速度、銑削深度、每齒進給量對加工材料表面粗糙度的影響程度［6］；通過 正交 試驗研究切削速度、銑削深度、銑削寬度、每齒進給量對表面粗糙度的影響，采用極差分析和方差分析 確定 最小表面粗糙度的最佳參數組合［7］。

為了提高工件的加工精度和表面質量，本文作者以高溫合金GH4169為研究對象，用加速度傳感器對信號 進行 測量，對振動幅度進行分析。研究其變化規律及變化原因，同時對比同一組參數下振動與切削力之間存 在的 對應關系，為GH4169銑削參數的合理選擇提供參考依據。

1、銑削振動試驗系統的建立

在理論分析的基礎上，建立了一套銑削振動測試系統，研究高溫合金在銑削過程中各種工藝參數對加工 振動 的影響，并以此為基礎進行研究，以獲得更好的高溫合金GH4169銑削工藝參數。

1.1 試驗工件及銑刀

試驗采用的工件材料為鎳基高溫合金GH4169，已經過時效處理，工件為100mm×60mm×55mm的長方體。 試驗 刀具材料采用硬質合金ＫＣ725Ｍ，刀片是后角11°的正方形硬質合金ＳＰＥＲ150408ＥＮＧＢ刀具。

1.2 試驗設備

銑削試驗所使用的加工設備是ＸＡ5032立式升降臺銑床。行程700mm×255mm×370mm，工作臺面尺寸 320mm× 1250mm，主軸轉速30～1500r/min，主軸電動機功率7.5KW。

1.3 測量儀器

測量所用的儀器主要由4508Ｂ001型加速度傳感器、Brüｅｌ＆Ｋｊ?ｒ振動與噪聲分析儀和Ｄｅｌｌ計 算 機構成，為滿足銑削加工振動試驗研究的要求，搭建了如圖1所示的銑削試驗平臺。振動測試的試驗設 備與儀器如圖2所示。試驗中將加速度傳感器貼到工件上，通過測量振動的加速度電壓信號反映振動的速度 和振 幅信號。傳感器接收到的振動信號通過電流放大器和數據采集卡進行運算、分析后，顯示測量結果并保存。

設計試驗時考慮到需分析切削力與振動之間的關系，切削力試驗與振動試驗采用相同的切削參數，因為 在裝 夾工件時，工件的底面與機床床身的接觸也在ｚ方向，可以近似看作是剛性的全約束連接，在ｚ方向上所產 生的振動可以忽略不計。測量時只采集了ｘ、ｙ2個方向的振動數據，因此，試驗中將加速度傳感器僅安裝在工件的ｘ方向與ｙ方向。

2、試驗方案設計

在銑削高溫合金GH4169過程中，不同的銑削參數對工件振動影響也不一樣，為了研究銑削參數的變化對 工件 振動的影響規律，設計了單因素試驗，研究不同銑削參數對工件振動的影響規律，并結合表面粗糙度的 變化 情況進行綜合分析。

研究切削速度對振動的影響，選擇進給速度v_f為150mm/min，軸向切深a_p為0.8mm，徑向切深a_e為20mm， 切削 速度v_c分別為18.84、47.10、994.20、149.15、298.30m/min；研究進給速度對振動的影響，選擇切削 速度 v_c為94.20m/min，軸向切深a_p為0.8mm，徑向切深a_e為20ｍｍ，進給速度v_f分別為60、95、150、190、 235mm/min；研究軸向切深對振動的影響，選擇切削速度v_c為94.20m/min，徑向切深a_e為20mm，進給速 度v_f為150mm/min，軸向切深a_p分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mm。

3、試驗結果與分析

在已建立的試驗平臺基礎上，根據選定的銑削參數，對銑削過程中ｘ、ｙ方向的振動數據進行測量，并 對提 取的數據進行分析，研究在切削速度、進給速度、軸向切深單一參數改變的情況下，工件的振動特性。

3.1 切削速度對振動的影響

在硬質合金刀具銑削高溫合金GH4169的加工過程中，切削速度對振動幅值的影響如圖3所示。從圖中可 以看出，從總體上看，在ｘ方向上的振幅比ｙ方向的振幅小，振幅并不是隨著切削速度的變化呈線性變化， 且ｘ 、ｙ2個方向上的變化趨勢相反。當切削速度小于150mm/min時，ｘ方向上振動幅值隨著切削速度的增加而逐漸增加，而后ｘ方向振幅開始減小；當切削速度小于150mm/min時，ｙ方向上振動幅 值隨 著切削速度的增加呈現出大致反比線性的減小，而后突然急劇增大。

將銑削速度與ｙ方向振幅進行多項式擬合，得到擬合曲線如圖4所示，經求解得到擬合曲線方程為ｙ＝ 9.709 ×10^－4ｘ²－0.2418ｘ＋34.094曲線的相關系數Ｒ1達到0.9923，可以將該曲線作為實際加工中速度與 振幅 的關系曲線來研究。該擬合曲線的對稱軸為ｘ＝124.64，因此由擬合曲線得到的振幅最小值出現在切削 速度 v_c＝124.64m/min時，與試驗數值吻合。圖5為不同切削速度下測得的表面粗糙度曲線，結果顯示粗糙度 的變 化與振動幅值變化趨勢相同。通常情況下，銑削過程的精加工過程中，對于表面粗糙度的要求是R_a在 1.25～ 2.5μｍ之間。

因此，經擬合曲線及粗糙度的對比得出切削速度vc在40.09～206.49m/min范圍內時，表面粗糙度R_a小于 2.5 μｍ。因此，在試驗加工條件下，要達到精加工的要求，需控制振動幅值在25.96ｍ/s²以內。

3.2 進給速度對振動的影響

在硬質合金刀具銑削高溫合金GH4169的加工過程中，進給速度對振動的影響如圖6所示。從圖中可以看 出， 其振動幅值隨著進給速度的增加而逐漸減小，在ｘ方向上的振幅始終比ｙ方向的振幅小。當進給速度較 小時 ，切削振動隨著進給速度的增加而減小，但其減小的速率較大，當進給速度較大時，隨著進給速度的增 加， 切削振動的幅值變化很小，并且在進給速度達到一定值時，在ｘ方向上的振幅還有緩慢上升的趨勢。在 切削 振動試驗過程中采取的進給方向是ｘ方向且是全齒切削，所以切削過程中ｘ方向上的分力是最小的，夾 緊力 作用在ｘ方向上的2個表面，因此在ｘ方向上的夾緊力較大，幾乎屬于剛性連接，所以很難產生振動。 而ｙ 方向上所具有的夾緊力僅僅是靠夾具與工件之間的摩擦力，從而導致了ｙ方向的振幅大于ｘ方向的振幅 。

在進給速度的單因素試驗中，ｙ方向的振動幅值大于ｘ方向，通過試驗測量的數據點對進給速度與振幅 的關 系進行曲線擬合，擬合曲線的相關系數Ｒ2為0.9109，結果如圖7所示。經求解得到擬合曲線方程為ｙ＝0.0012ｘ²－0.4504ｘ＋71.363擬合曲線與試驗數據點相關性較高，通過擬合曲線得到的估算值與 實際 值之間的偏差較小。為保證加工后表面質量達到精加工要求，需測量不同進給速度下得到的表面粗糙度 ，不 同進給速度下表面粗糙度如圖8所示。為保證表面粗糙度R_a小于2.5μｍ，利用擬合曲線得到的振動幅值 為 42.9ｍ/s²，對應的進給速度約為83mm/min，在實際精加工過程中，需要控制進給速度在83mm/min以上 。

3.3 軸向切深對振動的影響

在用硬質合金刀具銑削高溫合金GH4169時，軸向切削深度對振動幅值的影響，如圖9所示，可見振動隨 著軸 向切削深度的增加而增加，在ｙ方向上的振幅始終比ｘ方向的振幅大。

隨著軸向切深a_p的增加，ｙ方向切削振動并不呈現線性增加趨勢，當軸向切削深度較小時，軸向切削振 動隨 著切削深度的增加而增加，但其增長較慢，當軸向切削深度較大時，隨著軸向切削深度的增加，切削振 動的 幅值增長速率加快，并且在軸向切深達到0.9mm時，振幅迅速增大。

隨著軸向切深的改變，ｙ方向振幅總是大于ｘ方向振幅。因此，研究軸向切深與振動幅值的關系時，主 要考 慮與ｙ方向的振幅關系。將軸向切深與振幅進行多項式擬合，得到的曲線如圖10所示。曲線的相關系數 Ｒ3 達到0.9075，可以將該曲線作為實際加工中速度與振幅的關系曲線來研究。經求解得到擬合曲線方程為 ｙ＝ 83.428ｘ²－4.9742ｘ＋6.608為保證加工后表面質量達到精加工要求，需測量 不同軸向切深下得到的表面粗糙度，結果如圖11所示。為保證表面粗糙度R_a小于2.5μｍ，利用擬合曲 線得 到當軸向切深為0.797mm時R_a達到2.5μｍ，對應的幅值為66.941ｍ/s²。因此，在實際精加工過程中， 需 要控制軸向切深在0.797mm以下，振幅控制在66.941ｍ/s²以下可以保證精加工的表面質量。

4、結論

（1）通過對GH4169高溫合金銑削加工進行一系列的試驗發現，用硬質合金刀具銑削高溫合金GH4169時 ，在 ｘ方向上的振幅總體比ｙ方向的振幅小，在ｘ方向上的切削分力是最小的。

（2）工件在加工過程中的振動劇烈程度和切削速度、進給速度、軸向切深有緊密的聯系。振動幅度隨 著切 削速度的逐漸增加呈現先減小后增大的變化趨勢；隨著進給速度的增大，振動幅度逐漸減小，隨著軸向 切深 的增加，振動幅度逐漸增大。

（3）為滿足表面粗糙度R_a在1.25～2.5μｍ之間的要求，在GH4169高溫合金銑削過程中的最優切削 參數v_c為40.09～206.49m/min，v_f為80mm/min、a_p小于0.797mm。在此切削參數下可以有效減小振動強 度， 實現刀具較長耐用周期，使刀具具有很好的經濟性，降低生產成本。

參考文獻：

［1］孫晉亮．鉆削高溫合金的切屑形成機理及刀具磨損研究［Ｄ］．沈陽：沈陽理工大學，2017．

［2］薄鑫濤．GH4169合金的介紹［Ｊ］．熱處理，2018，33（4）：47．

［3］張潔，劉成穎．薄壁工件銑削過程中強迫振動響應分析［Ｊ］．清華大學學報（自然科學版）， 2018 ，58（11）：961－965．

ＺＨＡＮＧＪ，ＬＩＵＣＹ．ＦｏｒｃｅｄｖｉｂRaｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅ ｍｉｌｌｉｎｇｏｆｔｈｉｎ?ｗａｌｌｅｄｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｓｉ ｎｇ ｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），2018，58（11）： 961－ 965．

［4］林蓋，林述溫．基于主成分分析的高速銑削振動特性研究［Ｊ］．機械制造與自動化，2018，47 （5） ：28－32．

ＬＩＮＧ，ＬＩＮＳＷ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｖｉｂRaｔｉｏｎｃｈａRaｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎ ｈｉGHｓｐｅｅｄｍｉｌｌｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎａｌｙ ｓｉ ｓ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＢｕｉｌｄｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，2018，47（5）：28－32．

［5］趙淑軍，劉均，劉亞萍，等．薄壁件銑削加工穩定性分析及試驗驗證［Ｊ］．機床與液壓，2018 ，46 （7）：43－49．

ＺＨＡＯＳＪ，ＬＩＵＪ，ＬＩＵＹＰ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆ ｔｈｉｎ?ｗａｌｌｅｄｐａｒｔｓｉｎｍｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ ｌｖ ｅｒｉｆｉ?ｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＨｙｄRaｕｌｉｃｓ，2018，46（7）： 43－49．

［6］孫士雷，趙杰，趙燦．高溫合金GH4169高速銑削表面粗糙度研究［Ｊ］．稀有金屬與硬質合金， 2016，44（4）：62－65．

ＳＵＮＳＬ，ＺＨＡＯＪ，ＺＨＡＯＣ．ＳｔｕｄｙｏｎｓｕｒｆａｃｅｒｏｕGHｎｅｓｓｏｆ ｓｕｐｅRaｌｌｏｙGH4169ａｆｔｅｒｈｉGHｓｐｅｅｄｍｉｌｌｉｎｇ［Ｊ］．RaｒｅＭｅｔ? ａｌｓａｎｄＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅｓ，2016，44（4）：62－65．

［7］李波．鎳基高溫合金GH4169高速銑削表面完整性研究［Ｄ］．太原：中北大學，2015．

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