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       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量,提高生產效率。
  
      
 

  
      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。其刀具結構為錯齒內排屑深孔鉆削結構,加工刀具角度調整范圍如表3所示,工件材料尺寸為φ50×5440。
 
      2.2 鉆削試驗
 
      如表4所示鉆削時選用轉速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、高耐熱性的硬質合金YG813為刀片材料,導向塊材料采用了YT15、YG813硬質合金進行試驗對比。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,較多的硬質點元素會使刀具發(fā)生劇烈的磨料磨損,同時在鉆削時產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,會有明顯的磨粒刻痕。高溫合金GH4169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)相關試驗結果顯示該試驗采用的內排屑深孔鉆削,切削容積系數(shù)R<50時鐵屑能夠順利排出,鉆削試驗時鐵屑的分屑形式主要是按照刀齒的寬度進行分解,通過調整鉆頭切削刃間的相對位置、鉆頭切屑刃高度和寬度、鉆削參數(shù)、刀具各角度進行調整可以得到厚而窄的短螺旋切屑。如果切削進給量過大,參數(shù)調整不當就會出現(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鐵屑本身處于高溫高壓環(huán)境中,如果切削時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、機床振動加工不能順利進行。細長深孔加工高溫合金GH4169材料時,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加大切削液
壓力使切屑排出更加順暢[4]。
 
     4 、結語
 
     可以采用深孔內排屑方式進行鉆削高溫合金GH4169,鉆頭材料選用硬質合金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)選取時主軸轉速可調整為199 r/min,進給量調整為0.03 mm/r。