銑削減材工藝對激光熔覆增材Fe45 合金表面質量的影響研究*

周 俊 舒林森② 王家勝

（①陜西理工大學機械工程學院，陜西 漢中 723001；②陜西省工業自動化重點實驗室，陜西 漢中 723001）

激光熔覆技術是通過逐層累加的成形方式，在機械結構表面形成高性能的合金涂層，實現了高端機械零部件的表面強化和失效修復，具有高效靈活的制造特點，同時可以滿足復雜結構零件的直接成形[1]。隨著激光熔覆技術的不斷成熟，已逐步應用于航空航天、武器裝備及煤化工業等領域[2]。

然而，金屬零件激光熔覆增材成形表面與傳統機械加工表面還存在一定差距，主要體現在表面粗糙度和幾何精度難以滿足使用要求[3-4]。因此，有必要對激光增材熔覆涂層進行減材后處理，從而提高表面質量。傳統的機械減材加工方式主要有車削、銑削等。Li S 等[5]研究了鎳基合金熔覆層車削加工性能，結果表明熔覆層的可加工性隨著切削深度的增大而逐漸變差，切削振動對表面粗糙度影響很大。B?? V 等[6]采用激光熔覆和球頭銑削技術對鎳基材料合金零件進行修復，研究了不勻基材和包層形狀對銑削力和最終零件表面質量的影響。Zhao Y H 等[7]采用銑削力時域和頻域信號分析方法以及加工振動信號分析方法對激光熔覆層的銑削特性進行了研究，分析了切削參數和顯微硬度變化對切屑形貌的影響。Shu L S 等[8]研究了鎳基激光熔覆合金涂層干式切削性能，結果表明干式銑削過程中銑削力的大小與晶粒組織和切削溫度有較大關系。Zhao Y H 等[7,9]分析了激光熔覆層端銑削和側銑削時的切屑形貌和加工振動。王情情[10]對TC4 切削加工過程中的微觀組織形成及演化機理進行了系統的研究。章媛潔等[11]對比了激光選區熔化增材成型件銑削前后的表面粗糙度和殘余應力，結果表明增材件銑削加工后表面粗糙度由10 μm 下降到1 μm，表面殘余應力表現為壓應力。白海清等[12]進行了激光熔覆件小孔鉆削試驗研究。Hua Y 等[13]研究了IN718 干車削變形過程中工藝參數對表面粗糙度的影響，研究表明，切削速度和圓角半徑是影響表面粗糙度的主要因素。Polishetty A 等[14]分別對TC4 鈦合金增材件和鍛件進行銑削加工，并對比了兩種試件的銑削力和銑削加工后的表面粗糙度，結果表明TC4 鈦合金SLM成型件銑削力比鍛件大，表面粗糙度要低。雖然目前國內外學者開始對激光熔覆減材制造工藝開展研究，但是對激光熔覆鐵基合金粉末銑削減材工藝對改善增材件表面質量的機理研究較少，成型工藝參數與加工表面質量兩者之間的映射關系仍缺乏理論研究。

鐵基合金粉末具有自熔性強和焊接性能好的特點，其制備的熔覆涂層硬度高、耐磨性好，在機械零部件的表面強化領域有著非常廣闊的應用前景。因此，本文以Fe45 合金粉末為原料，采用環形同軸同步送粉方式制備Fe45 激光熔覆成型件，并設計正交銑削試驗，分析銑削工藝參數對銑削力、加工表面粗糙度、表面形貌及切屑形態的影響規律，研究銑削減材工藝對Fe45 激光熔覆成型件表面質量的作用機理。

1 試驗原理及方案

1.1 激光熔覆增材試件的制備

激光熔覆件的制備采用環形同軸同步送粉，熔覆基材為尺寸規格100 mm×80 mm×30 mm 的40Cr鋼方形試件，熔覆前對試件進行銑削預處理，去除表面氧化層等雜質。熔覆粉末為Fe45 合金粉末，粉末顆粒的直徑為42～128 μm，超景深顯微鏡下其粒子表面較為光滑，形狀近似為規則的圓球狀，粒子間無粘連現象，粉末流動性較好，如圖1 所示。試驗前先對粉末進行烘干處理，防止粉末相互黏結，影響最終成形質量。Fe45 合金粉末化學成分見表1。激光熔覆成型試件制備中保護氣體采用99.99%純度的工業氬氣。熔覆工藝參數為：激光功率2 400 W、掃描速度20 mm/s、送粉速度20 g/min、離焦量+5 mm、搭接率50%、送粉方式環形同軸同步送粉，弓字形掃描路徑，逐層堆積制備75 mm×60 mm×3.5 mm 的Fe45 激光熔覆涂層，其成型系統圖如圖2所示，最終得到的Fe45 激光熔覆成型件如圖3 所示。由圖3 宏觀分析可知，Fe45 熔覆成型件表面平整無裂紋，表面粗糙度值Ra=13.68 μm，熔覆層之間銜接緊密，與40Cr 基材表面形成了冶金結合。

表1 Fe45 合金粉末的化學成分（%）

圖1 Fe45 合金粉末的顯微形貌

圖2 激光熔覆增材制造系統

圖3 Fe45 激光熔覆成型試樣

1.2 銑削減材試驗及測力裝置

如圖4 所示，銑削試驗依托德馬吉五軸加工中心DMU50，該機床主軸最高轉速14 000 r/min，主軸驅動功率為23 kW；銑削用刀具選用瓦爾特MC377-06.0A4-BC-WK40EA 直徑為6 mm 的直柄整體硬質合金4 齒立銑刀；為減少加工過程中的銑削力、銑削熱及冷卻液對表面質量及加工性能的影響，本試驗采用順銑干銑削方式進行。銑削力信號由測力儀（KISTL-ER 9272A）采集，采樣頻率設為20 000 Hz。由于激光熔覆試件表面粗糙，因此在進行正交試驗前，對試件進行粗銑基面，使其表面平整。

圖4 銑削試驗系統

1.3 銑削減材試驗方案設計

表2 因素水平表

表3 正交試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 銑削力分析

2.1.1 銑削力測量結果

銑削力是評價材料可加工性的重要指標之一。銑削力的大小直接影響到刀具壽命、工件加工質量和加工精度，對研究銑削機理有著重要作用；并且也可以間接對熔覆層質量進行評價，若激光熔覆質量較差，在銑削力過大的情況下將會導致熔覆層從基體材料上剝落，因此對銑削力的分析至關重要。圖5a 為銑削力原始曲線，可以看出銑削力呈現出周期性的變化，這是因為銑削過程是不連續的，刀齒不斷地切入切出工件，使得銑削力周期性變化。圖5b 為經過處理后的銑削力曲線，可以看出銑削力可以分為3 個階段，第一階段為刀刃剛參與銑削至整個刀具完全參與銑削，此時Fx徑向分力、Fy主銑削力和Fz軸向分力逐漸增大；第二階段為平穩銑削，此時的銑削力保持基本穩定，具有微小波動，這是因為在穩定銑削過程中，刀齒不斷切入切出工件，當切屑從工件上剝離，銑削力減小，隨著刀具的進給運動，新的銑削層參與銑削，銑削力增大，如此周期波動；第三階段為刀齒切出工件，此時刀具逐漸脫離工件，只有部分刀齒參與銑削，銑削力逐漸降低。為了排除各種外因對測量結果的干擾，銑削力測量值取銑削力的增量均值△F。通過計算濾波后的銑削力，得到表4 中銑削力的各分力Fx、Fy、Fz及銑削合力F。從表中可以初步看出Fx、Fz波動較小，說明銑削參數對徑向分力和軸向分力影響較??；Fy波動較明顯，說明銑削參數對主銑削力影響最顯著，這是因為在銑削過程中分力Fy沿著進給方向，工件始終壓著刀具，在銑削過程中根據不同銑削參數的變化，Fy波動最大。

表4 正交試驗銑削力及表面粗糙度

圖5 銑削過程銑削力變化曲線

2.1.2 銑削力極差分析

對銑削力正交試驗的結果進行極差分析，結果見表5。從表5 可知各因素對徑向銑削分力Fx影響的主次順序為A>C>B；對主銑削力Fy影響的主次順序為C>A>B；對軸向銑削分力Fz影響的主次順序為A>B>C；對銑削合力F影響的主次順序為C>A>B。

表5 銑削力極差分析表

根據極差分析結果作各分力及合力與銑削參數關系圖，如圖6 所示。從圖6a 分析可知，主軸轉速對Fx和Fz影響較小，并且隨著主軸轉速的增大Fx在減小，Fz雖然隨著主軸轉速的提高也在增大，但是增大的幅度較小，Fy和F隨著主軸轉速的提高顯著增大，且近似于線性增加。從圖6b 分析可知，徑向銑削力和軸向銑削力隨著進給速度的增大也在增大，但是其增幅卻很小，說明進給速度對Fx和Fy影響較小。主銑削力隨著進給速度的增大而增大，當進給速度從120 mm/min 增加到150 mm/min 時其銑削力變化較小，當進給速度從150 mm/min 增加到180 mm/min 時其增速明顯變快，說明進給速度增大對主銑削力影響較大；銑削合力與主銑削力曲線近似平行，在各水平下主銑削力占銑削合力的93.999%～96.75%，說明銑削合力受主銑削力影響較大，受徑向銑削分力和軸向銑削分力影響較小。從圖6c 分析可知，隨著銑削深度的增加徑向銑削分力Fx也在增加，其增幅較??；當銑削深度在試驗范圍內變化時軸向銑削分力先增大后減小，但是其增大和減小的幅度都較小，因此，銑削深度對徑向銑削分力Fx和軸向銑削分力Fz影響較??；隨著銑削深度的增大主銑削力在變大，當銑削深度從0.1 mm 增加到0.5 mm 時，主銑削力的增幅為37.916 N，是銑削深度為0.1 mm 時銑削力的7.2 倍，說明銑削深度對主銑削力的影響最為顯著，這是因為銑削深度越大，單位時間內需要切除的切屑體積越大，所需要的能量也就越大；雖然軸向銑削分力有減小的趨勢，但是當銑削深度從0.1 mm 增加到0.5 mm 時，其在銑削合力中的占比從69.41%迅速降低至10.63%，因此，軸向銑削力的減小并不會對銑削合力的增大構成影響；當銑削深度從0.1 mm增加到0.5 mm 時，銑削合力中主銑削力的占比從68.99%迅速提高到99.05%，分析得出銑削深度對銑削合力的影響最為顯著。從圖6d 分析可知，主軸轉速、進給速度和銑削深度的提高銑削合力也隨之增大，但是銑削合力對銑削深度最為敏感，銑削深度每提高一個水平，銑削合力的增大速度相應也在增大，而主軸轉速和進給速度對銑削合力影響較小，隨著因素水平的提高銑削力呈緩慢上升趨勢；隨著主軸轉速增加，其對銑削合力的影響大于進給速度對銑削力的影響程度。綜上分析可知，對銑削力影響最大的是銑削深度，其次是主軸轉速和進給速度。

圖6 銑削工藝參數對銑削力的影響

2.1.3 銑削力方差分析

表6 為銑削合力方差分析表。由方差分析結果可知，各個因素對試驗指標銑削合力影響的主次順序為：C（銑削深度）>A（主軸轉速）>B（進給速度）。因素C 的F值（對應因素均方與誤差均方比值，用于兩個及兩個以上樣本均數差別的顯著性檢驗），即FC=18.59 接近于F0.05(2,2)=19，故因素C 對銑削合力的影響最為顯著。方差分析得到的結論與極差分析得出的結論是一致的。

表6 銑削合力方差分析表

2.2 表面粗糙度分析

2.2.1 表面粗糙度極差分析

The load characteristic equation of the brushless DC motor is

對表面粗糙度正交試驗的結果進行極差分析。結果見表7，從表7 可知各因素對表面粗糙度影響的主次順序為B>C>A（進給速度>銑削深度>主軸轉速），最優銑削參數組合為A2B2C1。

表7 表面粗糙度極差分析

根據表7 繪制各因素水平對表面粗糙度影響的直觀圖，如圖7 所示。從圖7 分析可知表面粗糙度隨著主軸轉速和進給速度的增大先減小后增大；表面粗糙度隨著銑削深度的增大，先增大后減小。當進給速度從120 mm/min 提高到150 mm/min 時Ra降低了33.8%，當進給速度從150 mm/min 提高到180 mm/min 時Ra 提高了13.2%，原因在于進給速度的增大使得刀具在單位時間內刀具移動距離增大，去除材料量增大，從而導致銑削力增大，所以表面粗糙度值也增大。隨著主軸轉速的增大，Ra 值先減小后增大，其減小的幅度為14.9%。整體來看其Ra 值有增大的趨勢，原因在于轉速不斷增加使得機床和刀具之間的作用力與反作用力增大，刀具振動加強，造成銑削系統不穩定，從而形成表面粗糙度值不斷增大的趨勢。隨著銑削深度的增大，Ra值在逐漸增大，因為隨著銑削深度的增加，所需要的銑削力增大、刀具受力增大、振動加強，所以表面粗糙度值增加。

圖7 銑削工藝參數對表面粗糙度的影響

2.2.2 表面粗糙度方差分析

由于試驗系統存在著不可避免的各種誤差，極差分析不能排除誤差的影響。因此，采用方差分析進一步分析各因素對粗糙度影響的顯著程度，見表8。

表8 表面粗糙度方差分析表

由方差分析結果可知，各個因素對試驗指標表面粗糙度影響的主次順序為：B（進給速度）>C（銑削深度）>A（主軸轉速）。因素B 的F值（對應因素均方與誤差均方比值，用于兩個及兩個以上樣本均數差別的顯著性檢驗），即FB=11.19 大于F0.10(2,2)=9，故因素進給速度對表面粗糙度的影響最為顯著。方差分析得到的結論與極差分析得出的結論是一致的。

2.3 表面形貌及切屑分析

2.3.1 表面形貌分析

通過超景深顯微鏡對正交銑削試驗加工表面形貌進行觀察，如圖8 所示。由圖8a 和圖8b 可知，在轉速在2 000 r/min 時，在不同的進給和切深下，沿進給方向有明顯的橫向等距紋理。

圖8 銑削工藝參數對表面形貌的影響

進一步分析可知，刀具軌跡每條均勻突起的棱脊位移等于銑削參數中的每齒進給速度。由圖8c可以看出，轉速增大刀具軌跡變得模糊，這是由于轉速提高進給不變的情況下，單位時間內刀具在同一個點銑削次數增大，銑削變形減小，銑削速度增大導致切屑以較高的線速度飛離工件表面不會劃傷已加工表面，表面粗糙度降低。由圖8d 可以看出，當轉速增大至3 200 r/min 時表面紋理不清晰，并且可以看到有很多劃痕，這是因為在銑削過程中溫度升高導致，切屑黏結在刀具上，造成對加工表面劃傷，表面質量下降，從而導致粗糙度值升高。

圖9 所示為在轉速n=2 600 r/min 時不同的進給速度和銑削深度下，表面放大1 000 倍后觀測到的形貌，可以看出，當n=2 600 r/min、F=120 mm/min、ap=0.3 mm 時，表面由銑削產生的高溫使得表面燒傷的區域較少；當n=3 200 r/min、F=180 mm/min、ap=0.3 mm 時，由于進給速度增大銑削力增大時表面由銑削產生的高溫使得表面燒傷的區域較多。零件表面的燒傷現象會引起零件抗腐蝕性降低，接觸疲勞性能也會下降，從而導致零件的使用壽命降低。因此，要想獲得較好的表面質量，必須合理地選擇銑削參數，才能提高銑削加工零件的使用壽命。

圖9 銑削深度ap=0.3 mm 下的表面形貌

2.3.2 切屑分析

通過超景深顯微鏡對試驗切屑進行觀察，如圖10 所示。由圖可知，不同銑削參數下的切屑形態基本相同，切屑內表面光滑，外表面毛茸，并且在切屑邊緣有鋸齒形，由此判斷切屑均為C 形屑。C 形屑的形成與銑削參數關系較大，在銑削速度較低、背吃刀量較大的情況下易產生此類切屑。當銑削深度為0.1 mm 時，其銑削力較小，切屑的鋸齒化并不明顯；當進給速度和銑削深度分別提升至150 mm/min、0.3 mm 時其鋸齒較為規則且分布均勻，說明此時銑削過程較為平穩；當銑削深度提高到0.5 mm 時，銑削力較大，切屑的鋸齒變大，并且切屑的鋸齒分布不均勻，在鋸齒根部甚至出現了明顯的裂紋。由此可以得出銑削速度、進給速度、銑削深度都對切屑的形成起著重要作用，切屑的鋸齒化程度隨著進給速度的增大，先變得均勻整齊，然后形成不規則的形態，并且相鄰鋸齒齒形差異也較大。

圖10 銑削工藝參數對切屑形態的影響

3 結語

本文通過對40Cr 基材表面激光增材Fe45 合金成型件進行減材銑削加工，采用正交試驗分析了Fe45 增材成型件的減材銑削性能，闡明了銑削工藝對Fe45 激光增材成型件銑削性能的影響規律，得到如下結論。

（1）銑削減材工藝參數對Fe45 成型件徑向銑削分力和軸向分力影響較??；在試驗參數范圍內主銑削力波動較明顯，說明銑削參數對主銑削力影響最顯著。銑削減材工藝參數對銑削力影響最大的是銑削深度，其次是主軸轉速和進給速度。

（2）銑削減材工藝參數對Fe45 成型件粗糙度影響的顯著性順序為：F（進給速度）>ap（銑削深度）>n（主軸轉速）。通過對比銑削減材后成型件和銑削前成型件的表面粗糙度可以發現，銑削后的表面粗糙度最大值為3.48 μm，最小值為1.7 μm，均高于未銑削前成型件的表面粗糙度，說明銑削減材能夠顯著提高激光增材成型件的表面質量。

（3）不同銑削參數下切屑的形態均為C 形屑。切屑的鋸齒化程度隨著銑削參數的增大先變得整齊均勻，再改變為不規則的形態，其齒形差異也較大，說明主軸轉速、進給速度、背吃刀量是影響切屑形貌的關鍵工藝參數。