難加工材料GH4169深孔鉆削機理的研究

作者：賀生明

來源：《科技資訊》2016年第25期

摘 要：該文分析了GH4169材料的切削加工性、化學成分、物理性能，介紹了深孔鉆削加工的特點。采用錯齒內(nèi)排屑深孔鉆削刀具，選用不同鉆削工藝參數(shù)進行深孔鉆削試驗，分別分析刀具失效形式、鐵屑形態(tài)及形成原因。最終確定了合適切削參數(shù)以及刀具材料。發(fā)現(xiàn)粘接磨損和磨粒磨損是刀具磨損的主要形式，短錐形螺旋切屑是理想切屑形態(tài)。 關(guān)鍵詞：高溫合金GH4169 深孔鉆削 刀具磨損

中圖分類號：TG52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（a）-0049-02 GH4169高溫合金抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能優(yōu)越，有良好的加工性能、焊接性能，該材料深孔類零件應用非常廣泛，現(xiàn)已廣泛運用于航空、航天、能源工業(yè)中[1]。但深孔加工相對較難。原因是深孔的加工過程中刀具處于封閉的狀態(tài)下進行切削，切削過程不易直接觀察、切削產(chǎn)生熱量不易傳散、鐵屑不能順利排出、鉆削工藝系統(tǒng)剛度差等。而且該材料加工時容易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，刀具容易產(chǎn)生變形、缺口磨損及顆粒磨損，低的熱擴散更是導致切削邊緣局部溫度過高等等，嚴重地影響了刀具壽命和耐用度，增加了加工難度。所以我們有必要對該材料的深孔鉆削刀具失效形式、切削參數(shù)、刀具參數(shù)性能進行分析研究，保證該材料深孔鉆削精度和質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。 1 試驗材料的物理性能

試驗用高溫合金GH4169材料是典型的航空航天葉片、軸類和石油測井用材料。屈服強度在650 ℃以下居變形高溫合金首位，其體積密度為ρ=8.24 g/cm3。在室溫下抗拉強度σ能達到1 450 MPa[2]。能譜分析測得棒材主要化學成分如表1所示，含鎳量為52.25%，在萬能電子試驗機測得其力學性能如表2所示。 2 鉆削試驗 2.1 鉆削試驗條件

深孔加工是指孔的長度和孔的直徑比大于10的孔，深孔加工有多種方法，該試驗主要采用實心鉆孔法，工件旋轉(zhuǎn)刀具做進給運動，采用BTA深孔鉆削系統(tǒng)進行鉆削。其刀具結(jié)構(gòu)為錯齒內(nèi)排屑深孔鉆削結(jié)構(gòu)，加工刀具角度調(diào)整范圍如表3所示，工件材料尺寸為φ50×40。 2.2 鉆削試驗

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如表4所示鉆削時選用轉(zhuǎn)速195 r/min、255 r/min的常用深孔鉆削速度，0.02 mm/r、0.03 mm/r進給量以及高溫韌性好、抗沖擊性能優(yōu)良、抗粘接性強、高耐熱性的硬質(zhì)合金YG813為刀片材料，導向塊材料采用了YT15、YG813硬質(zhì)合金進行試驗對比。試驗用材料價格等因素的原因主要采取3組數(shù)據(jù)來說明切屑的形態(tài)、刀具磨損、破損情況。 3 鉆削結(jié)果分析 3.1 刀具失效機理探討

在加工過程中鎳基高溫合金加工硬化、強化現(xiàn)象嚴重，另外鉆削環(huán)境較封閉，高溫合金GH4169導熱率性能差，導致鉆削環(huán)境的溫度逐步升高，這些都極易引起刀片材料的性能下降、刀具磨損和破壞，如圖1所示，而鉆削時由于鎳基高溫合金GH4169材料中含有大量的立方點陣碳化物，如TiC、NbC、Cr23C6等，提高了刀具的硬度、強度和耐磨性，較多的硬質(zhì)點元素會使刀具發(fā)生劇烈的磨料磨損，同時在鉆削時產(chǎn)生的高溫度也會加劇刀具的氧化磨損和擴散磨損[3]。鉆削中外刃后刀面發(fā)生磨損，會有明顯的磨?？毯邸８邷睾辖餑H4169材料含鎳量極高，可達55%，在加工超細長深孔時后刀面磨損嚴重，主要是因為后刀面與已加工面發(fā)生了磨損，所以應該增加后角以減少磨損，但是外刃后角過大容易導致刀具強度不足，刀具易發(fā)生破裂現(xiàn)象。為此，在對鉆頭切削角度進行修磨時，尋找合適的切削角度可有效延長刀具的使用壽命，減少崩刃現(xiàn)象，提高鉆削高溫合金GH4169材料的刀具耐用度。

另外，實驗中發(fā)現(xiàn)有刀具破損現(xiàn)象出現(xiàn)在刀尖處，致使不能繼續(xù)進行鉆削，這是因為在鉆削中特別是使用YT類硬質(zhì)合金作為導向塊鉆削時，導向塊受到擠壓力、高溫環(huán)境的作用，YT類與鎳基高溫合金GH4169中同種元素發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，致使鉆削過程中刀具磨損嚴重。隨著加工深度的推進，導向塊磨損嚴重，孔直徑逐漸變小，換刀后新刀具直徑過大，只在刀尖處進行鉆削，這樣刀尖處會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，磨損進一步加劇，進而發(fā)生崩刃及破損現(xiàn)象。而使用耐磨性好、強度較高的硬質(zhì)合金YG813作為導向塊材料后，刀具導向塊磨損減小，孔直徑能夠基本保持不變，刀具破損現(xiàn)象得到很大的改善。如果刀具在硬化層上切削，前刀面承受壓力必然會很大，刀具與鐵屑之間產(chǎn)生劇烈的摩擦，加快刀具的磨損甚至發(fā)生崩刃現(xiàn)象。 3.2 切屑形態(tài)探討

深孔鉆削時鐵屑能否順利排出極其關(guān)鍵，深孔在封閉空間下進行，排屑的空間狹窄，排屑困難。鐵屑的卷曲的形狀、寬窄、長短都直接影響到排屑是否順利，鉆削能否繼續(xù)進行。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果顯示該試驗采用的內(nèi)排屑深孔鉆削，切削容積系數(shù)R 4 結(jié)語

可以采用深孔內(nèi)排屑方式進行鉆削高溫合金GH4169，鉆頭材料選用硬質(zhì)合金YG813，鉆削時排屑順利。深孔鉆削高溫合金GH4169材料過程時主要的鐵屑時長而短的螺旋狀切屑，有利于鉆削排屑。鉆削參數(shù)選取時主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)整為199 r/min，進給量調(diào)整為0.03 mm/r。

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參考文獻

[1] Arunachalam R， Mannan MA.Machinability of nickel-based high temperature alloys[J].Mach Sci technol，2000， 4（1）：127-168.

[2] 韓榮第，于啟勛.難加工材料切削加工[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996. [3] 賀生明.高溫合金718材料超細長深孔鉆削工藝研究[D].西安石油大學，2013. [4] ZF Liu，SM He.Test Study of Nickel-Base Superalloy 718 Superfine Deep-Hole Drilling[J].Applied Mechanics & Materials，2012，217-219：1825-1828.