GH4169合金深孔鉆削試驗分析

李戰(zhàn)輝 孫力強 王宇

關(guān)鍵詞：GH4169合金;切屑厚度和寬度;切屑壓縮率和容屑系數(shù);孔軸心線偏斜

0引言

GH4169屬于鎳基高溫合金的一種，由于其具有耐腐蝕、耐高溫和抗疲勞等優(yōu)良性能，在航天航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但同時由于其加工時具有切削溫度高、切削力大、加工硬化嚴重等特點，是典型的難加工材料之一。在深孔加工過程中形成的切屑不易斷屑，易造成堵屑、機床振動劇烈以及刀具磨損嚴重等情況，導(dǎo)致孔的軸線度易發(fā)生偏斜。

在實際生產(chǎn)過程中，切屑的形態(tài)和孔軸心線偏斜是評價工件加工質(zhì)量的重要指標。切屑直接影響到排屑的順利程度，從而對刀具壽命和工件加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。孔軸心線的過度偏斜會導(dǎo)致工件報廢，造成一定的經(jīng)濟損失。所以分析和研究深孔鉆削GH4169的切屑形態(tài)和孔軸心線的偏斜很有必要。本文針對GH4169合金，基于可轉(zhuǎn)位式錯齒BTA鉆頭進行深孔鉆削試驗，分析在固定切削參數(shù)下切屑形態(tài)變化規(guī)律和鉆削初始進給量對孔軸心線偏斜的影響。

1深孔鉆削實驗

實驗設(shè)備為630X8000車改深孔鉆床，高景深顯微鏡，如圖1所示。工件材料為GH4169合金;加工方式為工件旋轉(zhuǎn)，刀具進給;加工孔徑尺寸直徑為60mm，長度1590mm;刀具為可轉(zhuǎn)位式錯齒BTA鉆頭，如圖2所示。

可轉(zhuǎn)位錯齒BTA鉆頭刀齒基體材料為硬質(zhì)合金，涂層材料為CBN。根據(jù)前期加工GH4169經(jīng)驗，加工中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為145r/min，進給量為0.04mm/r。鉆削過程中每隔130 mm收集1組切屑，一共收集12組，在顯微鏡下測量切屑寬度和厚度，并計算切屑壓縮率和切屑容屑系數(shù)，分析切屑形態(tài)變化規(guī)律。

2試驗結(jié)果

在固定切削參數(shù)下，分析了切屑的寬度、厚度、切屑壓縮率和切屑容屑系數(shù)的變化規(guī)律。并分析鉆削初始進給量對孔軸心線偏斜的影響。

2.1切屑變化規(guī)律

切屑形態(tài)直接影響切屑排出的順暢程度，從而影響刀具壽命。如圖3～4所示分別為鉆削過程中切屑厚度和寬度的變化趨勢。

如圖3所示，中心齒切屑厚度最大，邊緣齒和中間齒切屑厚度接近。中心齒切屑厚度波動較大的原因，一是因為加工過程中機床振動所致，二是因為測量中存在誤差。中間齒和邊緣齒產(chǎn)生切屑厚度變換趨勢整體趨于平穩(wěn)，切屑厚度穩(wěn)定在0.1mm左右。由于刀具的磨損，后期鉆頭出鉆階段3個刀齒產(chǎn)生的切屑厚度都出現(xiàn)增加趨勢。如圖4所示，3個刀齒產(chǎn)生的切屑寬度波動不大。其中邊緣齒產(chǎn)生的切屑寬度最大，中心齒次之，中間齒最小。

BTA鉆頭3個刀齒的位置不同，所處的切削環(huán)境不一樣，所產(chǎn)生的的切屑形態(tài)也不一樣。如圖5所示，中心齒切削線速度最小，產(chǎn)生的切屑多為短而小的c型屑，是理想的切屑形狀。邊緣齒的切削線速度最大，產(chǎn)生的切屑多為硬帶狀螺卷型切屑，不易排出。中間齒的切削線速度介于中心齒和邊緣齒之間，產(chǎn)生的切屑形狀多為長條形螺旋狀切屑，不易斷屑。

2.2切屑壓縮率

切屑壓縮率（CCR）指的是切屑厚度與切削層厚度之比。切屑厚度與切削層厚度并不相等，兩者的比值經(jīng)常用來評價切屑形成過程中發(fā)生的塑性應(yīng)變。切屑壓縮率的計算公式如下：

切屑壓縮率在一定程度上反映了3個刀齒所產(chǎn)生的平均塑性應(yīng)變大小，從圖6可以看出邊緣齒的平均塑性應(yīng)變最大，穩(wěn)定在16左右，中間齒的平均塑性應(yīng)變最小，穩(wěn)定在10左右。加工過程中3個刀齒的切屑壓縮率整體趨于穩(wěn)定，在鉆頭出口處，由于切屑厚度的增加導(dǎo)致切屑壓縮率出現(xiàn)上升趨勢。

2.3切屑容屑系數(shù)

切屑容屑系數(shù)影響到切屑排除的順利程度。對于一般內(nèi)排屑深孔鉆，當R<50時可順利排屑。切屑容積V與金屬所切除的體積V之比稱為切屑容屑系數(shù)。

切屑容屑系數(shù)反映了切屑排出的順利程度，切屑容積系數(shù)越大，說明切屑從工件脫離時變形越大，切屑所占容積大，導(dǎo)致切屑不易順利排出。如圖7所示，在加工過程中，隨著鉆削深度的增加，中間齒和邊緣齒的切屑容積系數(shù)變化趨勢整體趨于平穩(wěn)，中間齒產(chǎn)生切屑的容積系數(shù)穩(wěn)定在8左右，邊緣齒產(chǎn)生切屑的容積系數(shù)穩(wěn)定在23左右，加工過程中并未出現(xiàn)堵屑現(xiàn)象。鉆頭后期出鉆階段，邊緣齒產(chǎn)生切屑的容積系數(shù)出現(xiàn)上升趨勢，這是由于切屑由螺旋短屑變成螺旋長屑導(dǎo)致切屑容積系數(shù)增大，如圖8所示。

2.4孔軸心線偏斜分析

孔軸心線偏斜是深孔加工中的一道難題，由于其偏斜方向難以預(yù)測，加工過程中偏斜量難以測量，容易出現(xiàn)孔軸心線的過度偏斜，導(dǎo)致工件的報廢，造成一定的經(jīng)濟損失。孔軸心線偏斜也是衡量工件加工質(zhì)量的重要指標。

影響孔軸心線偏斜的因素有很多，鉆頭入鉆階段的進給量是影響孔軸心線偏斜的重要因素。如圖9所示，鉆頭如果在鉆削初始就發(fā)生了嚴重偏斜，那么隨著鉆削深度的增加，孔軸心線的偏斜會急劇增大，甚至會導(dǎo)致工件的報廢。本次試驗分析鉆頭入鉆階段的進給量對孔軸心線偏斜的影響。

如圖10所示，鉆削初始階段，孔軸心線的偏斜量較大，隨著鉆削深度的增加，孔軸心線的偏斜量出現(xiàn)明顯增加趨勢，出鉆階段的偏斜量已經(jīng)達到0.6mm左右。分析原因是因為鉆削初始，進給量太大，導(dǎo)致鉆頭受力較大，引起孔軸心線過度偏斜。加工第二根試驗件時，減小入鉆階段的進給量，將進給量設(shè)置為0.03mm/r，等鉆頭進入穩(wěn)定狀態(tài)時，再將進給量設(shè)置為0.04mm/r，以減小鉆削初始階段孔軸心線的偏斜，加工完之后孔軸心線的變化趨勢如圖11所示。

從圖11可以看出，減小鉆頭入鉆階段的進給量可以明顯改善孔軸心線的偏斜。當鉆削深度達到450mm時，鉆頭基本進入穩(wěn)定鉆削階段，此時將進給量改為0.04mm/r，可以看出，雖然調(diào)大進給量之后孔軸心線的偏斜量有所增加，但基本在可接受范圍之內(nèi)。

3結(jié)束語

（1）BTA鉆頭3個刀齒所處的切削環(huán)境不一樣，產(chǎn)生的切屑形狀也不一樣。中心齒產(chǎn)生的切屑多為理想的短而小的c型屑，中間齒產(chǎn)生的切屑多為不易斷屑的長條形螺旋狀切屑，邊緣齒產(chǎn)生的切屑多為不易排出的螺卷型切屑。就切屑厚度而言，中心齒產(chǎn)生的切屑厚度最大，穩(wěn)定在0.2mm左右，中間齒和邊緣齒產(chǎn)生的切屑厚度接近，穩(wěn)定在0.1mm左右。就切屑寬度而言，邊緣齒最大，中心齒次之，中間齒最小。

（2）切屑壓縮率一定程度上反映了刀齒的平均塑性應(yīng)變大小。邊緣齒的平均塑性應(yīng)變最大，中間齒的平均塑性應(yīng)變最小。中間齒切屑的容屑系數(shù)穩(wěn)定在9左右、邊緣齒切屑的容積系數(shù)穩(wěn)定在23左右時，可以順利排屑。加工中可以適當調(diào)整切削參數(shù)，減小切屑容屑系數(shù)，以達到順利排屑的目的。

（3）減小鉆頭鉆削初始時的進給量，可以明顯改善孔軸心斜的偏斜。采用該方法不但可以改善工件加工質(zhì)量，還可以提高加工效率。