鎳基合金深孔鉆鏜工藝參數研究

朱曉麗

(德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州253034)

鎳基高溫合金Inconel718具有廣泛的耐腐蝕性，工作溫度高和硬度高、抗磨損，在石油機械、核工業等領域的應用越來越廣泛。隨著我國川東北地區高含硫化氫、二氧化碳等強腐蝕性大型天然氣田的發現，國內外對鎳基合金油套管零部件的需求增加，常用于油氣鉆完井設備和固完井工具的零部件。但由于Inconel718導熱系數低、高溫化學活性高和彈性模量小等特點導致它是一種典型的難加工材料[1]。鎳基合金深孔加工相對其他加工方法更加嚴酷，原因是在加工過程中無法實時觀察到孔內作業狀況，切削產生的熱量不易擴散和切屑排出困難[2-4]，最大的加工難點是加工硬化嚴重，切屑極易粘刀，嚴重地影響刀具壽命和產品表面質量，而且鉆削鑄件Inconel718時材料去除率大，切削速度低，換刀頻率高，存在嚴重的高成本、低效率問題。

有關鎳基高溫合金高效加工的研究主要是針對車、銑加工，有關深孔鉆、鏜成熟的工藝參數相對較少。因此，我們有必要對鎳基合金深孔鉆、鏜削工藝參數進行分析研究，保證深孔鉆、鏜削鎳基合金零部件加工精度和質量，提高生產效率。本文針對鎳基合金 Inconel718材料進行詳盡的切削試驗。

1 試驗方案

1.1 試驗設計

合適的主軸轉速和走刀進給量是深孔鉆削過程中的關鍵因素，否則容易打刀或把鉆頭或鏜頭卡在工件中間[5-7]。在深孔加工過程中，實時觀察切屑的宏觀形態、依據經驗憑借聲音以及感覺機床的振動等方式來判斷切削是否正常[8-9]；選取不同的四組切削參數進行鎳基合金鉆、鏜孔實驗，觀察切屑形態以及排屑情況，選定合適的切削參數用于實際生產。試驗過程中以鉆、鏜孔工件深度作為基本單位，每切削一定的行程取下刀片觀察磨損狀況，鉆、鏜孔試驗參數選取見表1和表2。

1.2 刀具的選擇和應用

實驗用內排屑鉆頭及刀片形狀見圖1，選用耐磨性好、強度較高的YG類硬質合金[10]，菱形鉆孔刀片前刀面帶有特殊的斷屑槽結構，加大切屑的變形程度，有利于斷屑和抑制積屑瘤的產生。鉆頭具有內冷孔，可以確保冷卻液順暢地到達切削區，達到冷卻潤滑的作用，也使排屑變得更為順暢。

粗鏜鏜頭及刀片見圖2，選用涂層為235硬質合金可轉位刀具。精鏜時選用涂層材料為TP40的圓刀片能最大限度地保證加工精度。精鏜鏜頭及刀片見圖3。

表1 鉆孔切削參數組合

1.3 工件材料的性能

工件材料為棒料，深孔加工，尺寸為φ150 mm×1 900 mm，常溫硬度為38 HRC。Inconel718合金含有多種金屬元素，其典型化學成分見表3。鏜孔尺寸從φ66 mm至最終孔尺寸φ72.6 mm，最后留精鏜余量0.6 mm。

表2 鏜孔切削參數組合

1.4 試驗條件

所有的鉆、鏜削實驗是在TK2135數控深孔鉆鏜床上完成的，試驗設備見圖4。主軸功率60 kW，主軸最高轉速為500 r/min，最大鏜孔直徑350 mm，深度5 000 mm，手動調整有級變速。切削過程中使用硫化油切削液。

表3 Inconel718典型的化學成分(%)

鉆孔過程中要確保斷屑、排屑順暢，需實時觀測主軸轉速電流表變化情況。當刀具磨損劇烈、積屑或有切屑堵塞時，電流變化波動大，應及時采取相應的措施。

2 試驗結果及數據分析

2.1 鉆孔試驗數據分析

鉆孔時，切屑厚度ac由公式(1)計算:

式中:f為進給速度；n為轉速。

每組參數下切屑厚度見表4。第一組參數下，切屑可以順暢排出，但機床振動較大，崩碎狀切屑產生的切削熱導致刀具受沖擊力較大，使刀具磨損加劇，在鉆孔深度為360 mm時刀具崩刃；在第二組參數下切屑呈擠裂狀，如圖5所示，排屑不暢，刀片磨損嚴重，機床振動較大，功率監視器顯示消耗機床功率波動較大，鉆孔深度420 mm時刀具崩刃至失效；第三組切削參數可觀察到整體切削過程穩定、可靠，排屑順暢，形成穩定連續且厚而窄的短螺旋寶塔型切屑(如圖6所示)，對排屑最有利，功率消耗電流穩定，呈現連續清脆的聲音，鉆孔深度達到900 mm，刀具磨損情況如圖7所示，刀尖有輕微的磨損但仍然保持鋒利，前刀面磨損帶較均勻，后刀面磨損小。當轉速達到90 r/min時，切削160 mm時刀具打刀崩碎，如圖8所示，產生這種現象的原因是深孔加工孔的長徑比大，鉆削時工件會產生振動和偏斜，從而加劇刀具的磨損；而且切削過程機床振動劇烈，振動聲音大而鈍，積屑纏繞在鉆頭口造成排屑不良，刀具的振動和切屑的堵塞造成刀具崩刃打刀。經反復試驗后認為，調整鉆削參數可以得到厚而窄的短螺旋切屑，切屑厚度為0.15～0.16 mm時斷屑、排屑效果好。通過控制切屑的厚度獲得良好的切屑形態，避免在加工過程中產生的堵屑，刀具壽命也明顯得到了提高。試驗結果見表4。在實際生產加工鎳基合金中建議使用表1中第三組切削參數，隨著鉆孔深度增加適當加大切削液壓力，可促使切屑排出順暢，提高了深孔鉆削加工效率并降低了刀具成本。

2.2 鏜孔試驗數據分析

在不同切削參數組合下對鎳基合金進行鏜孔加工，由于鎳基合金材料的金屬特性，切削速度是影響刀具磨損量最大的因素。鏜孔時，通過改變主軸轉速從而改變切削速度vc的值，其計算公式見式(2)。

式中:n為轉速；dw為工件直徑。不同轉速下的切削速度見表2。鏜孔直徑為66～72 mm，切削深度為3 mm。當轉速為60 r/min，進給量為14 mm/min時，機床振動劇烈、噪聲大，而且切削阻力大，當走刀240 mm時刀片破碎，經檢測加工表面精度不高。當轉速降為50 r/min，進給量為12 mm/min時，整體切削過程平穩，排屑順暢，切屑為理想的大“C”型屑，如圖9所示，切削振動小，并獲得較好的加工表面，最大鏜孔長度為800 mm，刀具磨損形式為后刀面磨損，后刀面出現涂層剝落和小崩刃，刀具磨損情況見圖10。當轉速為50 r/min，進給量降為10 mm/min時，排屑順暢，機床振動小，表面粗糙度值較小，不同切削參數下試驗結果見表5。為提高加工效率，降低刀具成本，在實際生產中鏜孔推薦速度定為50 r/min，進給量為10～12 mm/min。精加工時選擇較小的切削用量，以便減小切削力。

精鏜需要良好的加工精度和表面完整性，鏜孔過程的安全性和可靠性最為關鍵，應保持切屑順利排出，防止中間換刀而導致加工精度和加工效率的下降。精鏜時切削轉速定為50 r/min，背吃刀量為0.3 mm，進給速度分別為16 mm/min、14 mm/min、12 mm/min時，切屑均為連續的帶狀卷曲屑，如圖11所示，積屑纏繞刀具而使刀尖崩刃，刀具磨損劇烈，排屑困難，內孔表面加工精度較低，達不到精鏜精度要求。當切削轉速調為40 r/min，進給速度為8 mm/min時，鏜削長度為380 mm時，排屑順暢，刀具輕微破損。采用便攜式表面粗糙度儀檢測加工表面精度良好。不同切削參數下的粗糙度對比如圖12所示。

表4 鉆削實驗數據

表5 鏜削實驗數據

3 結語

通過對鉆、鏜鎳基高溫合金Inconel718切削參數研究表明，切削參數的組合對切屑形狀的控制、加工精度和生產效率的提高有著重要意義。主要得到以下結論:

(1)利用YG類硬質合金刀具鉆Inconel718時，從斷屑、排屑和刀具磨損角度考慮，現場應用結果表明切屑厚度為0.15～0.16 mm，控制轉速為60 r/min，進給9～10 mm/min時取得較好加工效果，刀具壽命最長，短而厚的寶塔狀螺旋屑排屑效果最好。

(2)結合難加工材料鏜孔加工切削參數優化理論，Inconel718粗鏜孔加工時，在盡量提高加工效率下，推薦主軸鉆速為 50 r/min，進給速度為 10～12 mm/min時，加工效果優，“C”型切屑斷屑、排屑狀態良好，能滿足實際生產加工要求。

(3)精鏜加工Inconel718時，切削參數控制速度速為40 m/min，進給速度為8 mm/min，鏜孔加工精度能滿足加工需要，但生產效率低、刀具成本高。