复合涂层刀具钻削高温合金Inconel 718钻削性能研究.pdf

75复合涂层刀具钻削高温合金Inconel718钻削性能研究刘海王明红刘雪勇（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海201620)文摘高温合金Inconel718是一种典型的难加工材料，本文利用DEFORM-3D软件对无涂层、TiC单涂层和TiC/Al,O,复合涂层硬质合金刀具进行钻削高温合金Inconel718的仿真分析，研究在不同钻削条件下复合涂层刀具的切削性能，并进行钻削实验进行验证。结果表明：TiC/Al,O,复合涂层刀具能有效降低钻削轴向力和钻削温度，其轴向力降低幅度最高为2 0%，钻削温度最高降低了35%。通过钻削实验验证了仿真模型的准确性，可为实际钻削加工高温镍基合金Inconel718中选择涂层种类及钻削参数提供参考。关键词复合涂层，Inconel718，有限元仿真，轴向力，钻削温度，钻削实验中图分类号：TG146D01:10.12044/j.issn.1007-2330.2023.04.012Research on Drilling Performance of Composite Coating Tool in DrillingSuperalloy Inconel 718LIU HaiWANG MinghongLIU Xueyong(School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai201620)AbstractThe high-temperature alloy Inconel 718 was a typical difficult-to-machine material.In this paper,DEFORM-3D software was used to carry out the simulation test of drilling high-temperature alloy Inconel 718 withuncoated,TiC single-coated and TiC/A1203 composite coated carbide tools.The cutting performances of compositecoating tools under different drilling conditions were researched and were verified by drilling experiments.Theresults show that the TiC/Al,O,composite coating tool can effectively reduce the drilling axial force and the drillingtemperature,the maximum reduction of the axial force is 20%,and the maximum reduction of the drillingtemperature is 35%.The accuracy of the simulation model is verified by drilling experiments,and a certain referencefor the selection of coating types and drlling parameters in the actual drilling of high-temperature nickel-based alloyInconel 718 is provided.Keywordss Composite coating,Inconel 718,Finite element simulation,Axial force,Drilling temperature,Drilling experiment0引言高温合金Inconel718因其具备良好的强度、耐磨性和抗氧化腐蚀性能等特征被广泛地应用在航空航天、生物医药等工业技术领域 。但其导热性差、切削温度高、切削刀具磨损严重等问题导致其加工效率较低，是常见的难加工材料2 。孔加工工序在机械制造加工工序中十分重要，在所有机械加工工序中孔加工的占比大约达到三分之一。同时，钻削加工闭环加工方式，相对于切削、铣削等更为复杂3。因此研究高温合金钻削性能对减小刀具磨损、提高加工效率有着积极意义。为有效改善高温合金Inconel718的切削加工性能，国内外许多学者进行不同方面的研究。李建明等4 对镍基合金Inconel718开展低温切削加工实验，并进行低温静态拉伸和Hopkinson压杆试验，结果表明：低温切削技术对镍基合金Inconel 718的切削加工性有较显著的提高。龙重旺等5 开展了进给量为单因素变量的切削实验，对刀具磨损、切削力、工件表面质量三方面对比研究Al,O,复合涂层与TiAIN涂层硬质合金刀具的切削性能，实验表明TiAIN涂层硬质合金刀具在上述三方面表现均优于AI,O,复合涂层。EKREM(6)对高温合金Inconel718进行深孔钻削实验，并优化了麻花钻的收稿日期：2 0 2 1-0 6-2 2；修回日期：2 0 2 3-0 8-19第一作者简介：刘海，1995年出生，硕士研究生，从事金属切削与数字仿真研究工作。E-mail：118 2 7 6 42 99 q q.c o m宇航材料工艺http:/2023年第4期http:/2023年第4期宇航材料工艺76几何参数，实验结果表明优化后的麻花钻能有效降低钻削力,延长刀具使用寿命,提高加工效率。张显银等7 发现在相同切削参数条件下，未涂层刀具上的切削力、切削温度和刀具应力最大，其次是TiCN涂层刀具，TiAIN涂层刀具最小。TiAIN涂层刀具上的切削温度和切削力小于TiCN涂层刀具，仿真分析与切削试验结果相吻合。目前，关于复合涂层刀具钻削加工高温合金Inconel718的研究相对较少，且大部分研究都主要针对涂层刀具的磨损方面，关于钻削力和钻削温度研究还有待深人。因此，本文应用DEFORM-3D有限元软件对高温合金Inconel718钻削加工过程进行有限元仿真模拟，分别研究无涂层、TiC单涂层和TiC/Al,O,复合涂层刀具对钻削力、钻削温度及刀具磨损的影响，拟为实际加工切削高温合金提供参考1钻削仿真模型1.1材料模型本文采用Johnson-Cook模型（简称JC模型），该模型能够较好地反映高应变、高应变率和高温情况下的金属热力耦合大变形行为8 。其表达式为：T-T.m1+Cln8=A+room.0Tmel一Tro式中，为材料的流动应力;8 P为等效应变；8 P为等效应变率；s为参考应变率(通常为1.0/s);T为变形温度；Trom为室温（一般取2 0);Tmel为材料熔点；A、B、C、n、m为材料的JC模型参数，其取值见表19)表1Inconel 718的Johnson-Cook模型参数Tab.1JJohnson-Cook model parameters of Inconel 718A/MPaB/MPaCm12416220.01341.30.65221.2仿真参数及试验方案设置为保证仿真精度，采用DEFORM-3D自带的刀具库中直径d为5mm，顶角为118，螺旋角为30 的硬质合金麻花钻。工件为12mmx2mm的塑性圆柱体，材质为镍基高温合金Inconel718。钻头的最大和最小网格尺寸的比例设为4，钻头网格数量设置为20000，工件的最大和最小网格尺寸的比例设为6，工件网格数量设置为30 0 0 0。通过自适应网格重划分系统建立的钻削模型如图1所示。设计单因素试验方案以分析不同涂层对切削性能的影响。在边界条件设置中，使得工件下表面与xy平面相平行，同时设置工件侧面的速度在x、y、z 方向上均为0，限制工件的运动，刀具沿着-z方向进给，绕乙轴旋转。边界条件设置示意图见图1。轴Inconel718图1钻削模型及边界条件Fig.1Drilling model and boundary conditions2仿真过程及结果分析2.1轴向力分析在不同钻削条件下，轴向力的变化趋势较为一致。以钻削速度为2 0 0 0 r/min、进给量为0.1mm/r时，TiC/Al,O,复合涂层刀具的钻削仿真为例，分析钻削高温合金Inconel718时的轴向力变化。其轴向力随钻削步数增加的变化曲线如图2 所示。由图可知，钻削开始时，钻头横刃与工件相互挤压，使工件产生变形，此时钻削力开始迅速增大。随着主切削刃参与切削的长度增加，钻削半径开始增大，该阶段轴向力缓慢增大。当主切削刃全部开始参与切削，钻削半径保持不变，轴向力此时相对稳定。25002000150010005000200040006000800010000Step图2 车轴向力随步数变化曲线Fig.2The variation curve of axial force with the number of steps图3为在钻削稳定阶段，不同切削用量对轴向力的影响变化曲线。主轴转速增加时，金属切削量也随之增加，切削刀具与切屑及工件之间的摩擦增大，导致切削热不能及时与切屑一起排出，故钻削温度升高。此时，工件的剪切屈服强度降低，前刀面和切屑形成的摩擦角减小，对应的剪切角有所增大，故钻削力随之减小10-12 。1。由图3（a）可以看出，涂层刀具的钻削力与无涂层刀具相比有明显降低，其中TiC/77Al,O,复合涂层刀具降低更为明显，降低幅度最高为20%。由图3(b)可知，进给量增大会导致切削厚度增加，工件在单位时间内产生的变形量增加，变形速度和变形抗力增大，轴向力也随之增大。35002200f=0.1 mm/r一无涂层无涂层一一TiC图层一TiC涂层2000TiC/Al,O,复合涂层3000一TiC/Al,O,复合涂层n=1000r/min18002500160014002000120015001000200030000.10.20.3n/r min-!f/mm r-1轴向力随主轴转速变化曲线(b)轴向力随进给量变化曲线图3轴向力随切削参数变化曲线Fig.3The variation curves of axial force changing with cutting parameters2.2钻削温度分析图4为钻头在转速n=1000r/min、进给量f=0.1mm/r时，三种不同涂层刀具的最高温度云图。从温度云图中不难看出刀具的温度主要集中在主切削刃和横刃上，且主切削刃的温度比横刃处温度高10 0 左右。由于主切削刃在钻削中起主要切削作用，可以看作切削变形的第一变形区，即与工件产生最大挤压摩擦的区域，故主切削刃处温度最高13。横刃主要在刀具与工件刚接触时产生挤压，当主切削刃开始参与切削时，横刃开始起辅助切削作用,故横刃上的温度比主切削刃低14。横刃的转点处温度也较高，这是切屑在排出过程中均与横刃转点处产生摩擦导致的。对比三种涂层刀具的最高钻削温度可知，涂层刀具对减小钻削温度有一定作用，其中TiC/Al,O,复合刀具温度降低十分明显。TiC单涂层刀具与无涂层刀具相比，温度略有降低，但仅仅降低3%。TiC/Al,O,复合涂层刀具最高钻削温度比无涂层刀具降低了18%，效果比较显著。图5为钻削速度和进给量对刀具最高温度的影响规律。由图可知，当钻削速度一定时，刀具的最高温度随进给量的增加而上升，但增长幅度逐渐减小。当进给量一定时，随着钻削速度的增加，刀具最高温度缓慢上升。在转速n=1000r/min、进给量f=0.1mm/r时，TiC/Al,O,复合涂层刀具的刀具最高温度减小18%；在转速n=3000r/min、进给量f=0.3mm/r时，TiC/Al,O,复合涂层刀具的钻削最高温度减小幅度可达35%。钻削速度和进给量的增大都会导致钻削温度升高，其中进给量对刀具最高温度的影响程度高于钻削速度。TiC/Al,O,无涂层TiC涂层Temperature/Temperature/Temperature/复合涂层27726822724523720221320617618117515012414914497.811711371.984.482.145.952.251.120.020.020.020.0Min20.0Min20.0Min227Max277Max268Max图4不同涂层刀具钻削最高温度Fig.4The highest drilling temperature of different coating tools宇航材料工艺http:/2023年第4期2023年http:/第4期宇航材料工艺78TiC/Al,o,无涂层TiC涂层复合涂层700700450600600400/源/源50050035040040030030030025020020020030003000300025000.325000.325000.320000.2520000.2520000.250.20.20.215000.1515000.1515000.15n/rmin-l10000.1mmr-1n/rminl10000.1Immr-in/rmin10000.1mmr!图5切削参数对钻头最高温度影响Fig.5The influence of cutting parameters on the maximum temperature of the drill bit3钻削实验验证3.1实验条件实验采用YCM-V116B立式数控加工中心，如图6所示。该机床具有柔性加工特性，一次装夹可以实现多道工序的加工，其基本加工参数如表2 所示刀具测力仪工件温度显示器图6YCM-V116B加工中心Fig.6YCM-V116B machining center表2 雅力士VL850立式加工中心基本参数Tab.2Basic parameters of YLS VL850 vertical machiningcenterx轴行程/mmy轴行程/mmz轴行程/mm最大平均负载/kg15008007001600定位精度重复精度主轴转速进给速度/mm/mm/rminl/mmmin-l3000.0050.0056.000110000实验工件材料采用高温镍基合金Inconel718,这是一种镍铬沉淀硬化高温合金，其基体镍含量约为50%55%,主要元素包括Cr、Fe、Nb、T a、M o 等15。工件的主要物理力学性能参数如表3所示。麻花钻采用丹萨(DAPTSA）的整体硬质合金涂层刀具，基体材料为YG6X（W C含量为94%；黏结剂为Co，含量6%）表3Inconel718物理力学参数Tab.3Inconel 718 physical and mechanical parametersp/kgm3c/J (kgK)-IHRCE/CPa8240481.4707.44042206入/W(mK)-!a,/MPa1260132013.430.40.39171.196.53.2实验结果分析利用三向动态压电式测力仪测量获得钻削加工稳定阶段的轴向力，测量设备如图7 所示。以TiC/Al,0,复合涂层刀具在钻削速度n=1000r/min、进给量f=0.1mm/r时的仿真及实验数据进行对比，如图8所示。当刀具与工件刚接触开始钻削时，轴向力急剧增大，随着刀具切人工件，轴向力逐渐上升，当主切削刃完全参与切削时，轴向力趋于稳定状态。综上可知，实验结果与仿真结果具有较好的一致性，虽然存在一定误差，但相对误差均保持在10%以内，说明仿真结果是真实可靠的数据显示软件数据采集系统3TLFR电荷放大器图7三向动态压电式测力仪Fig.7Three-way dynamic piezoelectric dynamometer4000仿真数据实际数据30002000100000.000.050.100.150.200.25t/s图8仿真与实验轴向力数值的对比Fig.8Comparison of simulation and experimental axial forcevalues图9为三种不同涂层钻头最高钻削温度随钻削速度变化的曲线，由图可知随着钻削速度增加，刀具79最高钻削温度也随之增加。涂层刀具的切削温度接近线性上升，且明显低于无涂层刀具，其中TiC/Al,0;复合涂层刀具效果更好。在低转速时，三种刀具最高切削温度相差不大；在高转速时，TiC/Al,O,复合涂层刀具比无涂层刀具最高温度减小了38%。这是由于TiC/Al,O,复合涂层刀具摩擦因数较低，可以减小刀-屑摩擦产生的切削热，同时由于TiC/AI,O,复合涂层刀具的热导率较高，可以将第二变形区产生的切削热较快传导出去700复合涂层无涂层TiC涂层600500./源转400300200100080010001500200025003000n/r:min-l图9不同涂层刀具钻削温度随转速变化趋势Fig.9The drilling temperature of different coating toolschanges with the rotating speed图10 为不同切削速度时产生的切屑形态，可以看出低速切削时产生的切屑是带状切屑，随着切削速度的增加，切削逐渐变成节状切屑和粒状切屑。由于带状切屑排屑顺畅，能够带走较多的切削热量，且低速切削时的热扩散作用较显著，所以在低速时测得的切削温度较低。随着切削速度的提高，热扩散作用减弱，主剪切区内的热量流入切屑的比例上升，同时粒状切屑堆积在刀具前刀面，使得测得的切削温度升高。n=1000n=2000n=3000minmin-lTmin-!图10不同转速条件下产生的切屑形态Fig.10Chip morphology generated under dfferent speedconditions如图11所示，每种刀具钻10 个孔之后采集刀具磨损图像。发现无涂层刀具的主切削刃磨损较为严重；TiC/Al,O,复合涂层刀具的主切削刃在相同条件下几乎没有磨损；TiC涂层主切削刃有轻微磨损宇航材料工艺http:/2023年第4期无涂层TiC涂层复合涂层图11不同涂层钻头磨损情况Fig.11Wear conditions of drill bits with different coatings4结论（1）钻削加工中的轴向力会随着转速的增加而降低，随着进给量的增加而增加。TiC/Al,O,复合涂层刀具在不同切削条件下轴向力均比无涂层刀具轴向力低，进给量f=0.3mm/r时，减小幅度可达2 0%。（2)钻削加工中刀具最高温度随着转速及进给量的增加而增加，其中进给量对钻削温度影响更大。复合涂层刀具由于摩擦因数较低和高热导率，使得其切削温度明显低于无涂层刀具。TiC/Al,O,复合涂层刀具的切削最高温度比无涂层刀具降低了35%。（3）对比仿真数据与钻削实验结果，仿真分析的钻削力与钻削温度与实际测量数值误差较小，保持在10%以内。说明进行有限元仿真分析结果对高温镍基合金Inconel718切削加工有重要参考价值。参考文献1】周志杰，许磊，杜彦斌，等.2 0 Cr13钢表面激光熔覆铁/镍基合金熔覆层的组织与性能研究J.重庆工商大学学报（自然科学版），2 0 2 138（2）：6 9-7 4.ZHOU Z J,XU L,DU Y B,et al.Study on the structureand properties of laser cladding Fe/Ni-based alloy cladding 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