高性能高温合金钻头试验研究.pdf

基金项目：贺州学院教授科研启动基金（）收稿日期：年 月高性能高温合金钻头试验研究师润平，杨显宏，韩春钰贺州学院；深圳市航天精密刀具有限公司摘要：高温合金切削加工性能差，采用传统钻头加工高温合金存在零件效率低和刀具寿命很短等问题，因此需要研制新型钻头。新型钻头从基材、涂层、几何结构到冷却方式都进行了系统性和针对性优化。切削试验表明，新型钻头的最大轴向钻削力仅为传统钻头的 左右，孔壁的表面粗糙度 值仅传统钻头的 ，切削 后仍处于可继续切削的正常磨损状态，与其他厂家钻头相比，磨损量小且寿命优势明显。新型钻头能够满足高温合金和钛合金钻削加工中的长寿命和高精度要求。关键词：高温合金；新型钻头；加工精度；刀具寿命中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言在航空航天发动机领域，高温合金是制造热端部件的关键材料，发动机的性能在很大程度上取决于高温材料的性能。新型的先进航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的 ，同时，其他领域（如燃气轮机、核电等领域）对高温合金的需求量也在增加。虽然高温合金种类很多，但以 牌号（对应国内 ）为代表的镍基高温合金目前应用较广。高温合金能在高温氧化气氛及燃气腐蚀条件下工作可保持较高的强度，具有优良的热稳定性能及热疲劳性能。然而，高温合金同样具有切削加工性能差的问题，尤以镍基高温合金最难加工。的切削性能只有 钢的 ，的切削性能只有 钢的 ，具体指标对比如图 所示 。钛合金因具有密度小、比强度高、导热系数低、耐高温低温性能好和耐腐蚀能力强等特点而被广泛应用于航空航天领域。高温合金和钛合金都属于耐热优质合金（标准工件 组），切削过程会出现加工硬化和大量热量。切削性能与不锈钢（标准工作 组）类似，但更难切削，且会降低刀具的切削刃寿命 。表 为高温合金的材料特性和对切削工具的要求 。（）钢（）高温合金图 高温合金切削性能对比表 高温合金的材料特性和切削工具要求具有的特性高温合金的材料特性切削现象高温合金用切削工具要求具有的特性与工具材料的亲和性大，高温强度大，热导率小，容易加工硬化加 工 表 面 粗糙，刀刃缺口崩刃，切削温度高，容易磨损工具，切削阻力大工具材料：抗折力、耐磨性、高温硬度；工具形状：锐度和强度最适合的刀尖形状；涂层膜质：加工材料与亲和性低的物质、耐热性、隔热性、耐磨性、润滑性。年第 卷 从图 和表 可以看出，高温合金的切削性能差，对刀具性能的要求高，传统通用刀具无法胜任，钻削刀具因工况恶劣寿命更短，有时甚至无法完成单件加工，因此有必要设计高温合金新型专用钻头。国内外学者对高温合金切削加工进行了大量研究，但大多数文献为铣削加工，钻削加工相对较少。关于钻削加工的研究大体分为以下三类。第一类以钻尖形状为研究对象，包括横刃形式、主切削刃和后刀面形状。马文宇 选择五种不同类型钻尖刃形及容屑槽结构的麻花钻进行 钛合金钻削试验和仿真，发现提高卷屑角（凹形刃）有利于降低切削力、切削温度并且有助于断屑，降低卷屑角有利于降低刃口应力、提高刃口强度。范显琪 通过试验和仿真探讨了三种不同主切削刃结构对改善 钻削过程的可能性，得出凸型主切削刃结构刀具优于凹形刃和平直刃，凸形刃钻削时的钻削温度最低，刀具磨损最轻，刀具所受钻削负载最小。李志慧等 选取了四种不同钻尖结构的整体硬质合金麻花钻，基于 仿真分析和 钻削实验，通过研究不同钻尖结构对切削力、切削温度及应力分布的影响得出，横刃较长的 型钻头磨损最小，寿命最长，但切削力最大，其他三种钻头横刃较短，强度偏弱，失效形式均为横刃处崩刃；型钻头的断屑和排屑性能更好，可以减少堵屑情况发生，提高刀具寿命。第二类以切削用量为研究对象。高利 通过有限元仿真和试验分析刀具直径、主轴转速、进给量等不同切削参数对钻削力和扭矩的影响规律。王辉 通过仿真和试验分别研究了钻削速度、进给量对钻削力、扭矩、钻削温度的影响规律，以及钻削加工该材料时刀具钻削温度沿主切削刃的分布特征，得到钻削镍基粉末冶金高温合金的最优参数解组合。孙晋亮 对钻削高温合金时切削用量与切屑形成、刀具磨损的关系进行了研究，得出增大切削速度和进给量均会加剧刀具磨损，但增大进给量对加剧刀具磨损的作用相对较小；切削速度越大，切屑的变形程度越小，更有利于切屑的形成；进给量越大，切屑变形系数也随之增大，切屑形状卷曲程度变大，切屑卷曲半径减小且易断屑；刀具顶角及螺旋角对切屑形态的影响较小。仵珍稷等 通过正交试验方法和极差分析法对不同切削参数对轴向力和扭矩的影响进行研究得出，在钻削加工 镍基高温合金时，影响钻削轴向力的因素依次为直径 转速 每转进给量；影响扭矩的因素依次为直径 每转进给量 转速。第三类以几何参数为研究对象，包括顶角、前角、后角、螺旋角等。张二伟 对标准钻头的顶角及后角进行了修磨，再用修磨后的钻头在不同切削速度与进给量下对 分别进行了单因素钻孔试验和三因素三水平正交试验，得出各因素对钻削力、钻削温度的影响规律并求得了经验公式，并对 钻头与标准钻头钻削 进行了仿真，得出其可以良好地改善横刃处的应力状态。任梦羽 通过单因素试验和正交试验方法来研究不同切削参数和不同刀具几何参数对切削力、切削温度和切屑形态等加工特性的影响，得出钻削加工 时刀具产生的温度主要分布在钻头横刃、主切削刃和横刃转点处；钻削加工过程中钻头的横刃承受的切削力最大，最容易引起崩刃。房晨等 通过钛合金钻削过程的有限元分析，研究了不同的后角、螺旋升角、横刃斜角和刃口钝圆半径的硬质合金麻花钻对钛合金钻削性能的影响。综合来看，上述研究缺乏系统性，对刀具设计制造的指导作用有限，本文基于高温合金钻削要求切削工具具备的特性，对高温合金钻头进行系统设计并通过切削试验验证，探讨高温合金专用钻头设计制造技术。?耐热合金专用钻头设计鄢春根等 对伊斯卡公司的硬质合金切削工具专利分析表明，改进硬质合金切削工具的技术手段主要有三种：改变结构、改善材料和涂层技术。针对高温合金的切削特性，新型钻头需要从刀具材料、涂层性能和刀尖形状等方面进行系统优化，才能实现综合效果。?钻头材料超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金，其 粒度一般为 ，是普通硬质合金 粒度的几分之一到几十分之一，具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其硬度一般为 ，抗弯强度为 ，含钴量比一般 硬质合金高，与加工材料的相互吸附扩散作用较小，这种优异防黏结的性能表现，使超细合金刀具显示出良好的切削性能 。同时硬质合金中的黏结剂 含量越高，抗弯强度和断裂韧性越高 。因此应选用 含量为 的超细晶粒硬质合金。新型专用钻头基体材料选用兼具高耐磨性和耐崩刃性能的超细颗粒工 具 技 术硬质合金牌号 ，这种硬质合金通过优化 粒度和黏结剂 的含量，提高了硬度和断裂韧性值，具体性能如表 所示，图 为其表面 形貌。表 新型钻头基体材料的物理性能 含量（）晶粒度（）抗弯强度（）密度（）硬度（）图 新型钻头基体材料表面形貌?刀具涂层新型专用钻头涂层采用 纳米多层涂层。纳米多层涂层综合了 涂层导热系数低、与基材优良的黏合性以及 涂层高抗氧化性、高热稳定性、高硬度和高温低摩擦等特点，能有效地降低刀具与工件之间的摩擦系数，可以在受切削热和振动影响很大的钻孔加工中有效抑制热裂纹和涂层剥离，从而显著提高钻头的抗磨损能力和刀具使用寿命 。图 为单层涂层（，）、纳米多层涂层（，）以及未涂层刀具切削 高温合金的切削寿命曲线。可以得出，纳米多层涂层在切削过程中表现出更好的切削性能 。图 未涂层和涂层刀具切削 的寿命通常涂层后的钻头表面会附着部分微小不规则颗粒，并形成细微的凹凸不平的表面。为了使切屑的流动平滑并防止异常损坏，对表面的一层涂层进行柔性抛光处理可以提高钻头的排屑性能和抗黏屑性能，并降低切削阻力。此外，在涂层前要进行钝化处理，提高抗崩性和涂膜的附着力。?钻尖形状钻尖形状对钻头钻削性能影响大，一般情况下横刃处的钻削力可占整个钻头切削力的 左右。在钻削耐热合金材料时，必须对标准钻头结构进行改进或使用特殊结构钻头，否则钻尖很快就会磨损烧伤。根据常用钻头的横刃形状及特点，高温合金新型钻头采用 型和 型相结合的新型钻尖结构 型，主切削刃为直线，型容屑槽，如图 所示。图 新型钻头钻尖形状 型钻尖的优点如下：采用凸 型横刃，具有良好的切入性，可有效降低轴向的切削阻力并提高排屑性能，大幅减少钻头切入工件时轴向切削阻力的突然剧增（见图 ）；强韧的直线切削刃与刃口强化处理，可抑制崩刃并生成稳定的切屑；增大螺旋沟槽截面占比，提高排屑性能；分别采用有无内冷孔两种形式，有内冷孔形式需要机床具备内冷装置，可以将冷却液顺畅且充分地供给至切削部位。?新型钻头其他主要几何参数锋角 ，横刃宽度 ，螺旋角 ，主切削刃第一后角 ，第二后角 ，内刃（修磨横刃）前角 。刃口采用（）的负倒棱强化处理，钻削钛合金时倒棱宽度取下限值，钻削高温合金时倒棱宽度取上限值 。采用较窄刃带，减小接触面积，抑制切削热及加工硬化的产生。修窄刃带宽度可降低钻头外周与孔侧面之间的摩擦阻力和提高刀具寿命，并改善加工孔壁的表面粗糙度。钻头刃长超过 时采用双刃带设计，在深孔加工时，可以有效抑制钻头的不稳定因素，保证钻孔加工稳定及良好的表面粗糙度。图为新型钻头实验刀具。图 试验用新型钻头 年第 卷?试验与分析试验机床为 立式数控铣削加工中心。采用 三向动态压电式测力仪测量钻削力，选用 粗糙度仪测量粗糙度，利用基恩士 显微镜测量后刀面磨损值。?轴向钻削力和孔表面粗糙度对比试验高温合金是重要的航空航天材料，价格高且非常稀缺，为节约材料和刀具费用，钻削力试验旨在对比分析新型钻头与传统钻头的钻削力大小及其变化情况，因此试验材料选用奥氏体不锈钢 代替高温合金。钻头直径 ，加工孔深为 （深度）盲孔，切削速度 ，进给量 ，在水溶性液内冷条件下进行连续进给加工。图 为轴向钻削力和被加工孔的表面粗糙度。在相同条件下对比钻孔时轴向钻削力，传统钻头在钻入被加工材料时，轴向钻削力最大为 ，整个加工过程不稳定。新型钻头的最大轴向钻削力为 ，仅为传统钻头的 左右。另外，加工时轴向钻削力波动小，加工非常稳定。而且孔壁的表面粗糙度 值只有传统钻头的一半，可以获得较高质量的加工表面。图 切削力和孔表面粗糙度对比?钛合金切削试验钛合金也被广泛用于机身关键结构件、发动机结构件和转动件。钛合金的切削加工性能与高温合金相似，并且比高温合金更易加工，因此钛合金和高温合金钻头设计要求相似，部分刀具厂家（如日本戴杰）甚至将二者列为同类型刀具。高温合金新型专用钻头应能同时满足钛合金加工要求，且寿命更长，故切削试验材料也包括钛合金。试验材料选用代表性的 钛合金，钻头直径 ，孔深 （深度），切削速度 ，进给量 ，在内部水溶性冷却液条件下进行连续进给加工，其他试验条件同上。图 为新型专用钻头钻削加工 时的后刀面磨损量。可以看出，加工 个孔（切削长度 ）后，后刀面磨损值 只有 左右，距离钛合金铣刀的磨钝标准（）还很远，仍可以继续使用，通常钻头的磨钝标准 值可以比铣刀更大，因此新型专用钻头用于钻削加工 材料时性能优异。图 加工 时的后刀面磨损量?镍基耐热合金切削试验 钻头寿命试验试验材料为 镍基合金，钻头直径 ，孔深 （深度），切削速度 ，进给量 ，在内部水溶性冷却液条件下进行连续进给加工，其他试验条件同上。图 为新型专用钻头钻削镍基合金 的时后刀面磨损量变化情况。图 加工镍基合金 时后刀面磨损量进度试验结果显示，后刀面磨损量随加工孔数的增加增大，曲线变化平缓，加工 个孔（切削长度 ）后，钻头后刀面磨损 ，仍在正常磨损状态，可继续使用。此钻孔试验的深径比达到（已属于深孔加工），且为连续进给钻削，传统钻头几乎无法胜任。因此，新型钻头可以满足镍基高温合金的钻削加工要求。加工精度试验钻头直径 ，孔深 （深度），切削速工 具 技 术度 ，进给量 ，在外部水溶性冷却液条件下分步进给加工。图 为被加工孔孔径扩大量和同轴度的测试结果。可以看到，所有条件下孔径扩大量 ，同轴度为 ，实现了高精度加工要求。图 加工镍基合金 时加工精度 产品寿命对比试验试验钻头直径 ，加工孔深 （深度），切 削 速 度 ，进 给 量 ，每 进行一次分步进给，图 为内部水溶性冷却液条件下进行的钻削通孔加工结果。可以看出，与其他厂家产品相比，新型钻头的磨损量只有厂家 的 ，而厂家 和厂家 的钻头已提前报废，新型钻头寿命优势明显。图 为新型钻头和厂家 钻头的后刀面磨损形貌，可以看出，新型钻头的后刀面磨损量小于厂家 的钻头。图 加工 时后刀面磨损量比较（）（）新型钻头（）厂家 钻头图 钻头后刀面磨损形貌另外，对比图和图 的 材料钻削加工试验结果可以看出：图 试验中孔深 ，钻个孔后（图中三角形处）的切削总长度为 ；图 试验中孔深 ，钻 个孔后（该试验总钻孔数 个）的切削总长度也为 ，但采用分步进给的图 试验的后刀面磨损量（）明显小于采用连续进给的图 试验（），因此，在镍基合金 钻削加工中，分步进给可以有效延长钻头寿命。?结语（）经过优化设计的新型钻头钻削 后仍处于正常磨损状态，能够满足高温合金的钻削加工要求，与其他厂家同类产品相比，后刀面的磨损量最少，寿命更长。（）采用每进给一定深度（如 ）后将钻头退出孔口再重新钻入的分步进给法可以有效降低高温合金钻削加工中的后刀面磨损量，延长刀具寿命。（）新型钻头钻削钛合金的效果显著，可以同时实现高效、高精度钻削加工和较长的刀具寿命。参考文献 李建明，王相宇，乔阳，等 高温合金切削加工的研究进展 济南大学学报（自然科学版），（）：章宗城 钛合金和耐热合金的高效立铣加工 世界制造技术与装备市场，（）：吴明阳，王博，程耀楠，等 高温合金材料特性及加工技术进展 哈尔滨理工大学学报，（）：马文宇 整硬麻花钻钻尖刃形和容屑槽结构对钻削钛合金影响的实验研究 上海：华东理工大学，范显琪 镍合金钻削过程有限元分析与主切削刃结构评价 广州：华南理工大学，李志慧，何云，赵锦章，等 基于 的钻尖结构对 钻削性能影响研究 工具技术，（）：高利 基于涡轮发动机热端部件的高温合金材料钻削仿真研究 北京：北方工业大学，王辉 镍基粉末冶金高温合金钻削仿真与试验研究 济南：济南大学，孙晋亮 钻削高温合金的切屑形成机理及刀具磨损研究 沈阳：沈阳理工大学，仵珍稷，姜增辉，鲁康平，等 高温合金钻削力的试验研究 机械设计与制造 （）：张二伟 超高强度钢和镍基高温合金钻孔技术试验研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，任梦羽 高温合金钻削加工特性研究 沈阳：沈阳理工大学，房晨，戴俊平 麻花钻钻尖几何参数对 钛合金钻削性能的影响 工具技术，（）：年第 卷 鄢春根，成飞，王志强 伊斯卡公司硬质合金切削工具专利分析 中国钨业，（）：程剑兵 钨钴类超细硬质合金刀具及其切削性能研究 北京：北京理工大学，林晨光 中国超细晶粒 硬质合金研究进展 稀有金属，（）：邹伶俐 多弧离子镀制备纳米多层 涂层的性能研究 机械工程师，（）：刘辞海 硬质涂层的耐磨性和切削性能研究 广州：广东工业大学，余金川，蒋道顺 一种加工高温合金整体硬质合金钻头：中国，第一作者：师润平，博士，研究员，贺州学院人工智能学院（现代产业学院），广西壮族自治区贺州市 ：，（），基金项目：中央引导地方科技发展资金（）；河北省高等学校科学技术研究项目（）；河北工业职业技术大学博士基金资助（）收稿日期：年 月钛合金超声椭圆低频扭转复合振动攻丝实验研究韩凤起，张德远河北工业职业技术大学智能制造学院；北京航空航天大学机械工程及自动化学院摘要：为提高 钛合金小螺纹孔的攻丝效率，通过研制双弯复合超声椭圆振动换能器并进行超声椭圆低频扭转复合振动攻丝实验，探讨了超声椭圆振动攻丝的特点以及低频扭转振动参数对复合振动攻丝的影响。实验结果表明，与低频扭转振动攻丝相比，复合振动攻丝在所选参数范围内能够降低约 的攻丝扭矩，且在保持攻丝扭矩基本不变的前提下加工效率提高约 倍；低频扭转振动的净切削量越小，回退量越大，主轴转速越低，复合振动攻丝中超声椭圆振动发挥的作用越明显。关键词：振动攻丝；低频扭转振动；超声椭圆振动；复合振动；攻丝扭矩中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言钛合金的密度小，比强度和比刚度高，具有良好的抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能，是一种新型的、有发展潜力和应用前景的结构材料 ，在航空航天、兵器、海洋工程、汽车工业、石油化工、生物医用材料以及日常消费品等领域得到越来越广泛的应用 。然而，切削加工钛合金时切削温度高，主切削力小而背向力大，加工表面易生成硬脆变质层，黏刀现象严重 ，相对加工性能只有 钢的 ，是典型的难加工材料 ，其小螺纹孔的攻丝加工尤其困难。振动切削在难加工材料加工以及普通材料的难加工工序（如小直径精密深孔、小直径精密攻丝）中工 具 技 术