GH4169镍基高温合金深盲孔BTA钻削参数优化_行业知识_新闻

针对典型难加工材料GH4169在深孔加工过程中存在切削温度高、切削力大、加工硬化倾向大、刀具磨损快、切削变形大、排屑难和不易观察等问题，制定了GH4169三台阶深盲孔的加工工艺，针对工艺过程中的难点——ϕ25mm深底孔的钻削展开研究，采用正交试验法选择BTA内排屑深孔钻配合CW6163D机床完成钻削试验。得出结论，当转速n=600r/min、进给量f=0.052mm/r、切削液流量Q=70L/min时为最优钻削参数组合。

01 序言

随着航空航天事业的快速发展，要求材料结构在高温下具有更高的强度和更长的使用寿命，同时能承受更复杂严苛的服役条件[1]。GH4169镍基高温合金因其优良性能成为轴类零件的较好选择，轴内部通常要加工出孔与其他零件完成配合。GH4169相对加工性kv=v60/（v60）j＜0.15，加工性等级8级，属于典型的难加工材料，内孔加工时切削温度高、切削力大、加工硬化倾向大、刀具磨损快、切削变形大、排屑难且不易观察，是目前内孔钻削中难加工的合金材料[2]。针对难加工材料GH4169的钻削，KHANNA N等[3]对其展开了低温条件下的钻削，发现与干式钻削相比，低温钻削条件下的刀具磨损显著降低，有更好的切屑形态和更低的扭矩。为减小刀具磨损，Uçak N等[4]使用TiAlN涂层和未涂层的硬质合金钻头对In718进行钻孔试验，发现涂层材料的使用降低了刀具磨损。易林峰等[5]用BTA单齿扩孔钻钻削GH4169时，发现刀具前刀面有磨粒磨损和涂层脱落，后刀面有轻微沟痕磨损，主切削刃边界磨损明显，通过单因素试验发现前角、后角和刀尖圆弧半径三者均能使刀尖处最高温度产生变化，其中后角对温度的影响最明显。董坤阳等[6]发现钻削GH4169时切削速度的增加会使轴向力和扭矩增加，进给量对轴向力和扭矩的影响于大钻削速度。于晓琳等[7]应用ABAQUS软件分析了GH4169薄壁件在钻削过程3个阶段中参与切削的切削刃数量、长短与切削力和扭矩大小的关系。很多学者在GH4169钻削方面做了许多研究，但在GH4169深盲孔加工方面研究较少。本文针对GH4169多台阶深孔中最难加工的深盲孔展开研究，完成GH4169深盲孔的钻削试验，优化切削参数，为后续此类材料的深盲孔钻削加工提供借鉴。

02 加工工艺分析

2.1 材料性能分析

镍基高温合金主要以镍为基体，含镍量50%～55%，可适应1000℃以上温度环境。GH4169属于镍基高温合金中的一种，体积密度ρ=8.24g/cm3，是以体心四方的γ "和面心立方的γ´相沉淀强化的镍基高温合金，在－253～700℃具有良好的综合性能，在600～1000℃氧化和燃气腐蚀条件下能承受较大应力而长期使用[8]，GH4169镍基高温合金力学性能见表1。

表1　GH4169镍基高温合金力学性能

2.2 工艺难点分析

多台阶深孔截面如图1所示，大端直径（149±0.1）mm，小端直径（84±0.1）mm，总长度（684±0.2）mm。右端小孔直径（30±0.1）mm，孔深（406.75±0.1）mm，长径比L/D=13.6。左端孔直径（22±0.1）mm，孔深（237.75±0.1）mm，长径比L/D=10.8，两端孔长径比均＞10，均为深盲孔加工。3个内孔与外圆的同轴度误差均要求＜0.1mm，3个台阶孔要求高同轴度。要求内孔表面粗糙度值Ra＜1.6μm，且孔径小，加工时容易发生堵屑，对机床、刀具和操作人员有很高要求，加工难度大。

图1 多台阶深孔截面

针对多台阶深盲孔，首先以外圆为基准加工φ30mm深孔，以φ30mm孔作为引导孔，用前引导镗刀扩φ40mm内孔，保证两孔同轴度，接着以内孔为基准半精加工外圆，保证内孔与外圆同轴，再以外圆为基准加工左端φ22mm内孔，最后以两端内孔为基准精车外圆，保证多台阶孔同轴度，工艺流程如图2所示。

图2　工艺流程

右端φ30mm内孔加工是工艺流程中最关键的工序。针对φ30mm内孔，首先应钻好底孔，考虑深孔加工过程中轴线偏斜量的影响，先完成φ25mm底孔的钻削。目前深孔钻削方式通常有4种：枪钻钻孔法、BTA钻孔法、喷吸钻钻孔法和DF钻孔法。一般大孔径（d＞20mm）选择BTA钻孔法；小孔径（d≤20mm）选择枪钻钻孔法；喷吸钻使用双管系统利用流体的喷吸效应完成钻孔，适用于直径较大孔的加工；DF钻是喷吸钻的进化版。BTA（Boringand Trepanning Association）钻是德国Beisher研制的一种典型的自导向内排屑深孔钻，在兵器、航空、汽车以及核能等制造行业应用广泛[9]。综合考虑各因素，采取BTA内排屑的钻孔方式加工φ25mm深孔，BTA内排屑钻原理如图3所示。

图3　BTA内排屑钻原理

03 BTA深孔钻几何形状与参数

BTA内排屑钻几何角度如图4所示，根据GH4169材料加工的特殊性和BTA深孔钻削时的工况条件，确定BTA内排屑钻切削刃的几何角度，取值见表2。

图4　BTA内排屑钻几何角度

表2　BTA内排屑钻切削刃几何角度取值

（1）余偏角余偏角的大小直接影响切削力的分配、切削变形、切削厚度、切削宽度以及断屑，通常外刃余偏角Ψr=18°。
（2）前角γ0 一般各切削刃的前角γ0=0°，对于难断屑材料，可取γ0=1°～3°，此处取中间值γ0=2°。
（3）后角α0切削刃后角α0主要根据工件材料和进给量选取，一般外刃后角α0=8°～12°，取α0=10°。内刃后角α0τ较外刃后角大，一般内刃后角α0τ=12°～15°，取α0τ=13°。
（4）钻尖偏心距e多刃错齿深孔钻由于切削刃错齿分布于轴线两侧，抵消了一部分径向力，钻头所受径向力＜单刃内排屑深孔钻，钻尖偏心距e相应可取小些，e=（0.08～0.1）d0，取e=2.25mm。
（5）副切削刃刀具角度外齿外缘处副切削刃后角通常取α0´=8°，其棱带宽度ba1´=0.5～1.5mm，取ba´´=1mm。
（ 6 ）断屑槽尺寸通常断屑槽宽度Wn=1.22mm，Wn值的大小对切屑的长短有很大影响。断屑槽深度Hn=0.3～0.6mm，取Hn=0.4mm，断屑槽斜角τ=2°～6°，取τ=4°。

04 BTA深孔钻削试验

4.1 试验设计深孔加工设备选用图5a所示CW6163D机床，刀具选用图5b所示3刃错齿BTA深孔钻，刀片材料为YG8。加工材料是以镍为基体，选用含硫的切削液，润滑与断屑效果较好，综合各方面选择KT9932切削液。研究转速n、进给量f和切削液流量Q对切削过程的影响规律，正交试验设计见表3。由于多台阶深孔同轴度要求较高，因此采用工件旋转、刀具轴向进给的方式进行钻削。转速n、进给量f设置为三水平，切削液流量Q设置为二水平。

a）CW6163D机床

b）3刃错齿BTA深孔

钻图5　深孔加工设备

表3　正交试验设计

4.2 试验结果分析

外齿、中心齿和中间齿所占刀具半径的百分比分别为40%、40%和20%，不同切削参数下的切屑形态如图6所示，试验加工情况见表4。

表4　试验加工情况

当转速n=500r/min，进给量f=0.045mm/r，切削液流量Q=50L/min时，产生的切屑如图6a所示。转速低，机床运转平稳，进给量小，切屑薄，切屑上下表面流出速度Vch1与Vch2差距不大，切屑向上卷曲不明显。故中间齿和外齿产生的切屑为薄的丝状和带状长条螺旋屑，容屑系数R值大，易发生堵屑。

当转速保持n=500r/min，进给量增加到f=0.060mm/r，切削液流量增加到Q=70L/min时，机床和钻杆发生明显振动，切屑如图6b所示。进给量f、切削力和切屑厚度均增大，切屑流过前刀面排屑槽时，底层的流出速度Vch远大于表层流出速度Vch2，切屑向上卷曲明显，中心齿和中间齿断屑正常，切屑呈现螺旋卷短屑状（宝塔状屑）。外齿发生明显磨损，切屑呈宽的半环状屑和大C形屑，切屑有明显的撕裂痕迹，容屑系数R值大。导向块破损、声音异常，切削终止。当转速增加到n=600r/min，进给量f=0.052mm/r时，切削液流量保持Q=70L/min，机床运转平稳，刀杆稳定，切屑如图6c所示。中心齿产生节状切屑，中间齿产生螺旋短屑，外齿产生C形屑，容屑系数R值小，切屑容易排出，导向块完好，切削过程顺利。当转速保持n=600r/min，进给量增加到f=0.060mm/r，切削液流量保持Q=70L/min时，机床运转平稳，刀杆轻微振刀，切屑如图6d所示。切屑厚度增加，切屑表面挤裂痕迹明显，偶尔还会发生堵屑，导向块表面有磨损。当转速增加到n=700r/min，进给量f=0.052mm/r，切削液流量Q=50L/min时，转速偏高，切削液流量偏小，机床振动，振刀明显，刀具和导向块磨损严重。停机研究，是因为材料含镍量相对较高，切削液流量小，在高温高压环境中黏结现象严重，刀具前后刀面与切屑的接触层上发生了塑性流动，从而导致刀具失去切削能力，进而发生破损，需要频繁换刀。