復合涂層刀具鉆削Inconel 718 的磨損性能研究

劉海，王明紅，劉雪勇

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

鎳基高溫合金由于良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化及耐腐蝕性能，被廣泛地用于制造航空發動機的渦輪盤、壓氣機盤、機匣、承力環和葉片等高溫部件，是目前航空發動機用牌號最多、用量最大、使用最廣的一類高溫合金[1-2]。高溫合金約占先進航空發動機用材料的45%～50%，其中鎳基高溫合金Inconel 718 的使用量占高溫合金使用總量的1/3 以上[3]。由于鎳基高溫合金良好的高溫強度和熱穩定性，在切削過程中切削區域溫度高、塑性變形大、切削力大和刀具極易磨損等特點，使其成為最典型的難加工材料之一[4]。因此，鎳基高溫合金的高效切削是航空航天領域中亟待解決的重要現實問題之一。

為了減小Inconel 718 鉆削加工中的刀具磨損，實現高速和高效切削，國內外很多學者都對其進行了不同方面的研究。張嘯塵[5]等利用DEFORM 對無涂層、TiN 涂層、TiCN 涂層以及AlTiN 涂層刀具銑削6061 鋁合金進行仿真，發現最高切削溫度以及最大切削力隨著涂層的導熱系數減小而減小，影響刀具磨損程度的主要因素是涂層性質；程耀楠[6]等通過模擬仿真與實驗相結合的方法發現Al2O3涂層硬質合金刀具受溫度載荷影響比無涂層刀具小，其切削熱傳導、刀具磨損等方面都優于無涂層刀具；Devillez A[7]對5 種不同涂層刀具干切削鋁合金的使用壽命進行了研究，發現經過PVD 涂層處理的TiAlN 涂層刀具在降低摩擦力、降低冷焊以及減少積屑瘤等3 個方面的表現都優于未涂層刀具；Liew W Y[8]，Biksa[9]等人分別用TiAlN/AlCrN 納米復合涂層立銑刀、TiAlN 單涂層銑刀及無涂層硬質合金銑刀銑削AISI420 進行對比實驗，考評TiAlN/AlCrN 納米復合涂層刀具在水冷和油霧冷卻下的銑削性能，表明銑刀后刀面的磨損會隨著工件硬度的增加而增加；TiAlN/AlCrN 涂層刀具的耐磨性能要優于TiAlN 涂層刀具。

以上研究大都基于車削和銑削。孔加工工序是機械制造加工過程中最重要的工序之一，約占所有切削加工工序的 33%，鉆削加工也是最復雜的機械加工方法之一[10]。麻花鉆作為鉆削加工的主要工具，其鉆削加工性能的優劣將直接影響到孔加工的生產質量和效率。本文通過對比無涂層刀具，TiAlN 單涂層刀具，Al2O3單涂層刀具和TiAlN/Al2O3復合涂層刀具鉆削Inconel718 時的刀具磨損情況，得到了適用于Inconel718 的最佳涂層類型，為高溫合金材料的切削加工提供一定參考。

1 仿真模型建立

DEFORM-3D 有限元分析主要分為前處理，求解和后處理3 個流程，具體如圖1 所示。

圖1 DFEORM-3D 有限元分析流程Fig.1 DFEORM-3D finite element analysis process

1.1 鉆頭參數的設定

本文利用DEFORM 自帶的相關模塊建立Inconel718 的塑性圓柱體仿真實體模型，直徑d=20 mm，厚h＝3 mm。鉆頭參數如表1 所示。

表1 鉆頭幾何參數Tab.1 Geometric parameters of drill bits

1.2 材料的本構方程

材料本構關系反映了材料物質本性的變化，是任何有限元建模仿真過程的關鍵環節和成敗的關鍵因素，能夠反映材料真實物性變化的本構關系取決于完整的內部狀態變量組，該內部狀態變量代表了當時材料所處的微結構狀態[11]。迄今為止，已經出現了很多塑性流動本構模型，然而具有普適性的本構關系并不多，大多有其各自使用的領域。本文選擇的是國際上常采用的 Johnson-Cook 本構模型，見式（1）：

式中：σ——材料的流動應力；εP——等效應變；——等效應變率；——參考應變率（通常為1.0 s-1）；T——變形溫度；Troom——室溫（一般取20 ℃）；Tmelt——材料熔點；A，B，C，n，m——材料參數，其中C為表征應變率敏感性的參數，也稱為應變率敏感系數。

J-C 模型能夠較好地描述金屬材料的加工硬化效應、應變率效應和熱軟化效應，與實驗結果吻合得較好，且模型簡單、使用方便，得到廣泛使用。通過查閱文獻[12]可知Inconel718 的Johnson-Cook 模型材料參數，具體見表2。

表2 Inconel718 的Johnson-Cook 模型參數Tab.2 Johnson-Cook model parameters of Inconel718

2 仿真結果分析

2.1 刀具磨損與鉆削溫度的關系

圖2、圖3 分別為不同涂層鉆頭累計磨損深度及鉆削溫度的變化情況。鉆頭磨損貫穿整個鉆削過程。鉆削開始時，鉆頭橫刃首先接觸工件并與工件產生擠壓，此過程持續時間較短，橫刃基本不參與切削，磨損較小。隨著鉆削深度的增加，橫刃兩側開始進入切削狀態，此時開始產生切屑，且切屑沿著前刀面流出，刀具參與切削的部分開始出現磨損。隨后，整個主切削刃完全進入切削狀態，刀具磨損逐漸加深，且刀具累計最大磨損深度將最終出現在主切削刃處。

由圖2 和圖3 可知，鉆頭磨損最嚴重的區域也是刀具主切削刃最高溫度分布的區域。其中，無涂層刀具的磨損最嚴重，其最大累計磨損深度為0.922 mm，對應區域的刀具最大溫度為369 ℃；TiAlN/Al2O3復合涂層刀具磨損最小，最大累計磨損深度為0.627 mm，對應區域最高鉆削溫度為312 ℃；TiAlN 涂層和Al2O3涂層刀具磨損介于兩者之間，最大累計磨損深度分別為0.792，0.815 mm，對應區域的刀具最高鉆削溫度為328，349 ℃。

圖2 不同涂層刀具累計磨損深度Fig.2 Cumulative wear depth of tools with different coatings

圖3 不同涂層刀具鉆削溫度Fig.3 Drilling temperature of different coating tools

對比圖2 TiAlN 涂層、Al2O3涂層、TiAlN/Al2O3復合涂層鉆頭和無涂層鉆頭在相同鉆削條件下的主切削刃磨損深度可以看出，涂層鉆頭在改善刀具磨損方面較無涂層刀具有顯著優勢；3 種涂層鉆頭在相同條件下的刀具磨損深度均比無涂層鉆頭的磨損深度要小，其中復合涂層耐磨損性能最好，比無涂層鉆頭的磨損深度減小了25%，比TiAlN 涂層和Al2O3涂層分別減小了20%和21%。由圖3 可知，復合涂層鉆頭在降低鉆削溫度方面亦有顯著優勢，比無涂層鉆頭鉆削溫度降低了16%，比兩種單涂層刀具減小了約10%。

2.2 刀具磨損與軸向力的關系

不同涂層刀具鉆削高溫鎳基合金Inconel 718的軸向力仿真結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，在鉆削過程中，軸向力整體呈下降趨勢。在鉆削的開始階段，橫刃與工件相互擠壓，軸向力在短時間內會迅速上升，并逐漸達到最高點；隨著待加工厚度的減小，鉆頭需要克服的阻力逐漸減小，軸向力開始下降，并逐漸達到穩定階段。

圖4 不同涂層刀具鉆削軸向力隨步數變化曲線Fig.4 Variation curve of axial force in drilling with different coating tools with number of steps

在鉆削過程中，復合涂層刀具比無涂層、TiAlN 涂層及Al2O3涂層刀具的鉆削軸向力降低顯著；TiAlN 涂層和Al2O3涂層刀具的鉆削軸向力與無涂層刀具相比略有降低，但降低幅度不大；TiAlN 涂層與Al2O3涂層刀具鉆削軸向力十分接近，介于復合涂層與無涂層刀具之間。

圖5 為不同涂層刀具累計磨損深度隨仿真步數變化的趨勢。鉆削初期階段，由于軸向力的快速上升，刀具均開始出現磨損，且無涂層刀具與涂層刀具之間的磨損速率無明顯差距。隨著鉆削深度的增加，刀具主切削刃與材料接觸面積增大，分布在刀刃處的應力集中下降，進入低載荷摩擦狀態，刀具磨損在逐漸加快。

圖5 不同涂層刀具累計磨損深度隨步數變化曲線Fig.5 Cumulative wear depth of tools with different coatings varies with the number of steps

在鉆削前期，4 種刀具磨損都較小，無明顯差異。在鉆削中后期，無涂層刀具的累計磨損深度迅速上升，比3 種涂層刀具磨損更深。TiAlN/Al2O3復合涂層刀具的耐磨損優勢在中后期體現明顯，其累計磨損深度增加比無涂層、TiAlN 涂層和Al2O3涂層刀具慢。TiAlN 涂層和Al2O3涂層的累計磨損隨仿真步數的增加變化較為相近，均比無涂層刀具累計磨損深度小，比TiAlN/Al2O3復合涂層大。

3 實驗分析與驗證

3.1 實驗設備

實驗工件材料采用高溫鎳基合金Inconel718，這是一種鎳鉻沉淀硬化高溫合金，其基體鎳含量為50%～55%，主要元素包括Cr，Fe，Nb，Ta，Mo 等[12]。工件的主要物理力學性能參數如表3 所示。

表3 Inconel718 物理力學參數Tab.3 Inconel718 physical and mechanical parameters

本次實驗采用的機床為雅力士（YSL）VL850 立式加工中心，如圖6（a）所示，其基本加工參數如表4 所示。麻花鉆采用丹薩（DAPTSA）的鎢鋼合金鉆頭，如圖6（b）所示，分別為無涂層鉆頭，TiAlN 涂層鉆頭，Al2O3涂層鉆頭以及TiAlN/Al2O3復合涂層鉆頭。

圖6 雅力士加工中心及不同涂層麻花鉆Fig.6 YLS machining center and twist drills with different coatings

表4 雅力士VL850 立式加工中心基本參數Tab.4 Basic parameters of YLS VL850 vertical machining center

3.2 實驗結果分析

為與仿真結果相對照，每種刀具鉆10 個孔之后采集刀具磨損圖像，如圖7 所示。發現無涂層刀具的主切削刃磨損較為嚴重；TiAlN/Al2O3復合涂層刀具的主切削刃在相同條件下幾乎沒有磨損；TiAlN 涂層和Al2O3涂層刀具主切削刃有輕微磨損，其中Al2O3涂層刀具橫刃處磨損比較嚴重。與仿真結果顯示Al2O3涂層橫刃處切削溫度較高趨勢一致。

圖7 不同涂層鉆頭磨損情況Fig.7 Wear of drill bits with different coatings

由圖8 可以看出，無涂層鉆頭對孔壁產生較為嚴重的刮傷，TiAlN，Al2O3涂層刀具鉆削孔壁有細微劃痕，復合涂層鉆頭鉆削孔壁表面質量最好。說明刀具磨損對孔壁表面質量影響較為顯著。

圖8 不同涂層鉆頭鉆削孔壁質量Fig.8 Drilling hole wall quality of drill bits with different coatings

4 結論

本文針對典型難加工材料高溫鎳基合金Inconel718 在鉆削加工中刀具磨損問題，利用DEFORM-3D 有限元仿真軟件建立了涂層刀具磨損模型，并進行實驗驗證，得出以下結論：

（1）TiAlN/Al2O3復合涂層刀具能有效改善Inconel718 加工過程中的刀具磨損情況。仿真結果表明，復合涂層刀具累計磨損深度比無涂層刀具減小了25%，最高鉆削溫度降低了16%。

（2）實驗刀具的磨損程度及磨損位置與仿真結果具有一致性。無涂層刀具主切削刃磨損嚴重，涂層刀具主要磨損發生在橫刃附近，其中Al2O3涂層刀具磨損最為嚴重，實驗與仿真相互印證。

（3）結合實際加工質量可知，復合涂層還能夠在一定程度上改善孔壁質量，為提高高溫鎳基合金Inconel718 切削效率提供一定參考。