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       摘 要:該文分析了GH4169材料的切削加工性、化學(xué)成分、物理性能,介紹了深孔鉆削加工的特點(diǎn)。采用錯(cuò)齒內(nèi)排屑深孔鉆削刀具,選用不同鉆削工藝參數(shù)進(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn),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
   
      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(yīng)用非常廣泛,現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于航空、航天、能源工業(yè)中[1]。但深孔加工相對(duì)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(jìn)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(shí)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(kuò)散更是導(dǎo)致切削邊緣局部溫度過高等等,嚴(yán)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(duì)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(jìn)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(yàn)材料的物理性能
 
      試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度σ能達(dá)到1 450 MPa[2]。能譜分析測得棒材主要化學(xué)成分如表1所示,含鎳量為52.25%,在萬能電子試驗(yàn)機(jī)測得其力學(xué)性能如表2所示。
 
      2 、鉆削試驗(yàn)
 
      2.1 鉆削試驗(yàn)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(yàn)主要采用實(shí)心鉆孔法,工件旋轉(zhuǎn)刀具做進(jìn)給運(yùn)動(dòng),采用BTA深孔鉆削系統(tǒng)進(jìn)行鉆削。其刀具結(jié)構(gòu)為錯(cuò)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φ50×5440。
 
      2.2 鉆削試驗(yàn)
 
      如表4所示鉆削時(shí)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(jìn)給量以及高溫韌性好、抗沖擊性能優(yōu)良、抗粘接性強(qiáng)、高耐熱性的硬質(zhì)合金YG813為刀片材料,導(dǎo)向塊材料采用了YT15、YG813硬質(zhì)合金進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)用材料價(jià)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(jī)理探討
   
      在加工過程中鎳基高溫合金加工硬化、強(qiáng)化現(xiàn)象嚴(yán)重,另外鉆削環(huán)境較封閉,高溫合金GH4169導(dǎo)熱率性能差,導(dǎo)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(shí)由于鎳基高溫合金GH4169材料中含有大量的立方點(diǎn)陣碳化物,如TiC、NbC、Cr23C6等,提高了刀具的硬度、強(qiáng)度和耐磨性,較多的硬質(zhì)點(diǎn)元素會(huì)使刀具發(fā)生劇烈的磨料磨損,同時(shí)在鉆削時(shí)產(chǎn)生的高溫度也會(huì)加劇刀具的氧化磨損和擴(kuò)散磨損[3]。鉆削中外刃后刀面發(fā)生磨損,會(huì)有明顯的磨粒刻痕。高溫合金GH4169材料含鎳量極高,可達(dá)55%,在加工超細(xì)長深孔時(shí)后刀面磨損嚴(yán)重,主要是因?yàn)楹蟮睹媾c已加工面發(fā)生了磨損,所以應(yīng)該增加后角以減少磨損,但是外刃后角過大容易導(dǎo)致刀具強(qiáng)度不足,刀具易發(fā)生破裂現(xiàn)象。為此,在對(duì)鉆頭切削角度進(jìn)行修磨時(shí),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(shí)驗(yàn)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(jìn)行鉆削,這是因?yàn)樵阢@削中特別是使用YT類硬質(zhì)合金作為導(dǎo)向塊鉆削時(shí),導(dǎo)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(yán)重。隨著加工深度的推進(jìn),導(dǎo)向塊磨損嚴(yán)重,孔直徑逐漸變小,換刀后新刀具直徑過大,只在刀尖處進(jìn)行鉆削,這樣刀尖處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,磨損進(jìn)一步加劇,進(jìn)而發(fā)生崩刃及破損現(xiàn)象。而使用耐磨性好、強(qiáng)度較高的硬質(zhì)合金YG813作為導(dǎo)向塊材料后,刀具導(dǎo)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(huì)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(shí)鐵屑能否順利排出極其關(guān)鍵,深孔在封閉空間下進(jìn)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(jìn)行。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示該試驗(yàn)采用的內(nèi)排屑深孔鉆削,切削容積系數(shù)R<50時(shí)鐵屑能夠順利排出,鉆削試驗(yàn)時(shí)鐵屑的分屑形式主要是按照刀齒的寬度進(jìn)行分解,通過調(diào)整鉆頭切削刃間的相對(duì)位置、鉆頭切屑刃高度和寬度、鉆削參數(shù)、刀具各角度進(jìn)行調(diào)整可以得到厚而窄的短螺旋切屑。如果切削進(jìn)給量過大,參數(shù)調(diào)整不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)排屑極其困難的纏繞帶狀切屑,這一類型切屑系數(shù)容積較大,排屑困難,另外由于深孔鉆削時(shí)鐵屑本身處于高溫高壓環(huán)境中,如果切削時(shí)不能在卷曲過程中折斷形成短屑形態(tài)則極易造成鉆削堵屑,致使刀具破損、機(jī)床振動(dòng)加工不能順利進(jìn)行。細(xì)長深孔加工高溫合金GH4169材料時(shí),隨著直徑減小、深度增加則排屑路徑增長,排屑難度加大,解決辦法就是加工過程中可適當(dāng)加大切削液
壓力使切屑排出更加順暢[4]。
 
     4 、結(jié)語
 
     可以采用深孔內(nèi)排屑方式進(jìn)行鉆削高溫合金GH4169,鉆頭材料選用硬質(zhì)合金YG813,鉆削時(shí)排屑順利。深孔鉆削高溫合金GH4169材料過程時(shí)主要的鐵屑時(shí)長而短的螺旋狀切屑,有利于鉆削排屑。鉆削參數(shù)選取時(shí)主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)整為199 r/min,進(jìn)給量調(diào)整為0.03 mm/r。