復合涂層刀具鉆削高溫合金Inconel 718鉆削性能研究

劉 海 王明紅 劉雪勇

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

文 摘 高溫合金Inconel 718是一種典型的難加工材料，本文利用DEFORM-3D 軟件對無涂層、TiC 單涂層和TiC/Al2O3復合涂層硬質合金刀具進行鉆削高溫合金Inconel 718的仿真分析，研究在不同鉆削條件下復合涂層刀具的切削性能，并進行鉆削實驗進行驗證。結果表明：TiC/Al2O3復合涂層刀具能有效降低鉆削軸向力和鉆削溫度，其軸向力降低幅度最高為20%，鉆削溫度最高降低了35%。通過鉆削實驗驗證了仿真模型的準確性，可為實際鉆削加工高溫鎳基合金Inconel 718中選擇涂層種類及鉆削參數提供參考。

0 引言

高溫合金Inconel 718 因其具備良好的強度、耐磨性和抗氧化腐蝕性能等特征被廣泛地應用在航空航天、生物醫藥等工業技術領域［1］。但其導熱性差、切削溫度高、切削刀具磨損嚴重等問題導致其加工效率較低，是常見的難加工材料［2］。孔加工工序在機械制造加工工序中十分重要，在所有機械加工工序中孔加工的占比大約達到三分之一。同時，鉆削加工閉環加工方式，相對于切削、銑削等更為復雜［3］。因此研究高溫合金鉆削性能對減小刀具磨損、提高加工效率有著積極意義。

為有效改善高溫合金Inconel 718的切削加工性能，國內外許多學者進行不同方面的研究。李建明等［4］對鎳基合金Inconel 718開展低溫切削加工實驗，并進行低溫靜態拉伸和Hopkinson 壓桿試驗，結果表明：低溫切削技術對鎳基合金Inconel 718的切削加工性有較顯著的提高。龍重旺等［5］開展了進給量為單因素變量的切削實驗，對刀具磨損、切削力、工件表面質量三方面對比研究Al2O3復合涂層與TiAlN涂層硬質合金刀具的切削性能，實驗表明TiAlN涂層硬質合金刀具在上述三方面表現均優于Al2O3復合涂層。EKREM［6］對高溫合金Inconel 718進行深孔鉆削實驗，并優化了麻花鉆的幾何參數，實驗結果表明優化后的麻花鉆能有效降低鉆削力，延長刀具使用壽命，提高加工效率。張顯銀等［7］發現在相同切削參數條件下，未涂層刀具上的切削力、切削溫度和刀具應力最大，其次是TiCN涂層刀具，TiAlN涂層刀具最小。TiAlN涂層刀具上的切削溫度和切削力小于TiCN涂層刀具，仿真分析與切削試驗結果相吻合。

目前，關于復合涂層刀具鉆削加工高溫合金Inconel 718的研究相對較少，且大部分研究都主要針對涂層刀具的磨損方面，關于鉆削力和鉆削溫度研究還有待深入。因此，本文應用DEFORM-3D 有限元軟件對高溫合金Inconel718 鉆削加工過程進行有限元仿真模擬，分別研究無涂層、TiC 單涂層和TiC/Al2O3復合涂層刀具對鉆削力、鉆削溫度及刀具磨損的影響，擬為實際加工切削高溫合金提供參考。

1 鉆削仿真模型

1.1 材料模型

本文采用Johnson-Cook 模型（簡稱JC 模型），該模型能夠較好地反映高應變、高應變率和高溫情況下的金屬熱力耦合大變形行為［8］。其表達式為：

式中，σ為材料的流動應力；εP為等效應變；為等效應變率；為參考應變率（通常為1.0/s）；T為變形溫度；Troom為室溫（一般取20℃）；Tmelt為材料熔點；A、B、C、n、m為材料的JC模型參數，其取值見表1［9］。

表1 Inconel 718的Johnson-Cook模型參數Tab.1 Johnson-Cook model parameters of Inconel 718

1.2 仿真參數及試驗方案設置

為保證仿真精度，采用DEFORM-3D 自帶的刀具庫中直徑d為5 mm，頂角為118°，螺旋角為30°的硬質合金麻花鉆。工件為Φ12 mm×2 mm 的塑性圓柱體，材質為鎳基高溫合金Inconel 718。鉆頭的最大和最小網格尺寸的比例設為4，鉆頭網格數量設置為20 000，工件的最大和最小網格尺寸的比例設為6，工件網格數量設置為30 000。通過自適應網格重劃分系統建立的鉆削模型如圖1 所示。設計單因素試驗方案以分析不同涂層對切削性能的影響。

圖1 鉆削模型及邊界條件Fig.1 Drilling model and boundary conditions

在邊界條件設置中，使得工件下表面與xy平面相平行，同時設置工件側面的速度在x、y、z方向上均為0，限制工件的運動，刀具沿著-z方向進給，繞Z 軸旋轉。邊界條件設置示意圖見圖1。

2 仿真過程及結果分析

2.1 軸向力分析

在不同鉆削條件下，軸向力的變化趨勢較為一致。以鉆削速度為2 000 r/min、進給量為0.1 mm/r時，TiC/Al2O3復合涂層刀具的鉆削仿真為例，分析鉆削高溫合金Inconel 718 時的軸向力變化。其軸向力隨鉆削步數增加的變化曲線如圖2所示。由圖可知，鉆削開始時，鉆頭橫刃與工件相互擠壓，使工件產生變形，此時鉆削力開始迅速增大。隨著主切削刃參與切削的長度增加，鉆削半徑開始增大，該階段軸向力緩慢增大。當主切削刃全部開始參與切削，鉆削半徑保持不變，軸向力此時相對穩定。

圖2 軸向力隨步數變化曲線Fig.2 The variation curve of axial force with the number of steps

圖3為在鉆削穩定階段，不同切削用量對軸向力的影響變化曲線。主軸轉速增加時，金屬切削量也隨之增加，切削刀具與切屑及工件之間的摩擦增大，導致切削熱不能及時與切屑一起排出，故鉆削溫度升高。此時，工件的剪切屈服強度降低，前刀面和切屑形成的摩擦角減小，對應的剪切角有所增大，故鉆削力隨之減小［10-12］。由圖3（a）可以看出，涂層刀具的鉆削力與無涂層刀具相比有明顯降低，其中TiC/Al2O3復合涂層刀具降低更為明顯，降低幅度最高為20%。由圖3（b）可知，進給量增大會導致切削厚度增加，工件在單位時間內產生的變形量增加，變形速度和變形抗力增大，軸向力也隨之增大。

圖3 軸向力隨切削參數變化曲線Fig.3 The variation curves of axial force changing with cutting parameters

2.2 鉆削溫度分析

圖4為鉆頭在轉速n=1 000 r/min、進給量f=0.1 mm/r時，三種不同涂層刀具的最高溫度云圖。從溫度云圖中不難看出刀具的溫度主要集中在主切削刃和橫刃上，且主切削刃的溫度比橫刃處溫度高100 ℃左右。由于主切削刃在鉆削中起主要切削作用，可以看作切削變形的第一變形區，即與工件產生最大擠壓摩擦的區域，故主切削刃處溫度最高［13］。橫刃主要在刀具與工件剛接觸時產生擠壓，當主切削刃開始參與切削時，橫刃開始起輔助切削作用，故橫刃上的溫度比主切削刃低［14］。橫刃的轉點處溫度也較高，這是切屑在排出過程中均與橫刃轉點處產生摩擦導致的。

圖4 不同涂層刀具鉆削最高溫度Fig.4 The highest drilling temperature of different coating tools

對比三種涂層刀具的最高鉆削溫度可知，涂層刀具對減小鉆削溫度有一定作用，其中TiC/Al2O3復合刀具溫度降低十分明顯。TiC 單涂層刀具與無涂層刀具相比，溫度略有降低，但僅僅降低3%。TiC/Al2O3復合涂層刀具最高鉆削溫度比無涂層刀具降低了18%，效果比較顯著。

圖5 為鉆削速度和進給量對刀具最高溫度的影響規律。由圖可知，當鉆削速度一定時，刀具的最高溫度隨進給量的增加而上升，但增長幅度逐漸減小。當進給量一定時，隨著鉆削速度的增加，刀具最高溫度緩慢上升。在轉速n=1 000 r/min、進給量f=0.1 mm/r 時，TiC/Al2O3復合涂層刀具的刀具最高溫度減小18%；在轉速n=3 000 r/min、進給量f=0.3 mm/r 時，TiC/Al2O3復合涂層刀具的鉆削最高溫度減小幅度可達35%。鉆削速度和進給量的增大都會導致鉆削溫度升高，其中進給量對刀具最高溫度的影響程度高于鉆削速度。

3 鉆削實驗驗證

3.1 實驗條件

實驗采用YCM-V116B 立式數控加工中心，如圖6所示。該機床具有柔性加工特性，一次裝夾可以實現多道工序的加工，其基本加工參數如表2所示。

圖6 YCM-V116B加工中心Fig.6 YCM-V116B machining center

表2 雅力士VL850立式加工中心基本參數Tab.2 Basic parameters of YLS VL850 vertical machining center

實驗工件材料采用高溫鎳基合金Inconel 718，這是一種鎳鉻沉淀硬化高溫合金，其基體鎳含量約為50%～55%，主要元素包括Cr、Fe、Nb、Ta、Mo等［15］。工件的主要物理力學性能參數如表3 所示。麻花鉆采用丹薩（DAPTSA）的整體硬質合金涂層刀具，基體材料為 YG6X（WC含量為94%；黏結劑為Co，含量6%）。

表3 Inconel718 物理力學參數Tab.3 Inconel 718 physical and mechanical parameters

3.2 實驗結果分析

利用三向動態壓電式測力儀測量獲得鉆削加工穩定階段的軸向力，測量設備如圖7 所示。以TiC/Al2O3復合涂層刀具在鉆削速度n=1 000 r/min、進給量f=0.1 mm/r 時的仿真及實驗數據進行對比，如圖8所示。當刀具與工件剛接觸開始鉆削時，軸向力急劇增大，隨著刀具切入工件，軸向力逐漸上升，當主切削刃完全參與切削時，軸向力趨于穩定狀態。綜上可知，實驗結果與仿真結果具有較好的一致性，雖然存在一定誤差，但相對誤差均保持在10%以內，說明仿真結果是真實可靠的。

圖8 仿真與實驗軸向力數值的對比Fig.8 Comparison of simulation and experimental axial force values

圖9 為三種不同涂層鉆頭最高鉆削溫度隨鉆削速度變化的曲線，由圖可知隨著鉆削速度增加，刀具最高鉆削溫度也隨之增加。涂層刀具的切削溫度接近線性上升，且明顯低于無涂層刀具，其中TiC/Al2O3復合涂層刀具效果更好。在低轉速時，三種刀具最高切削溫度相差不大；在高轉速時，TiC/Al2O3復合涂層刀具比無涂層刀具最高溫度減小了38%。這是由于TiC/Al2O3復合涂層刀具摩擦因數較低，可以減小刀-屑摩擦產生的切削熱，同時由于TiC/Al2O3復合涂層刀具的熱導率較高，可以將第二變形區產生的切削熱較快傳導出去。

圖9 不同涂層刀具鉆削溫度隨轉速變化趨勢Fig.9 The drilling temperature of different coating tools changes with the rotating speed

圖10 為不同切削速度時產生的切屑形態，可以看出低速切削時產生的切屑是帶狀切屑，隨著切削速度的增加，切削逐漸變成節狀切屑和粒狀切屑。由于帶狀切屑排屑順暢，能夠帶走較多的切削熱量，且低速切削時的熱擴散作用較顯著，所以在低速時測得的切削溫度較低。隨著切削速度的提高，熱擴散作用減弱，主剪切區內的熱量流入切屑的比例上升，同時粒狀切屑堆積在刀具前刀面，使得測得的切削溫度升高。

圖10 不同轉速條件下產生的切屑形態Fig.10 Chip morphology generated under different speed conditions

如圖11 所示，每種刀具鉆10 個孔之后采集刀具磨損圖像。發現無涂層刀具的主切削刃磨損較為嚴重；TiC/Al2O3復合涂層刀具的主切削刃在相同條件下幾乎沒有磨損；TiC涂層主切削刃有輕微磨損。

圖11 不同涂層鉆頭磨損情況Fig.11 Wear conditions of drill bits with different coatings

4 結論

（1）鉆削加工中的軸向力會隨著轉速的增加而降低，隨著進給量的增加而增加。TiC/Al2O3復合涂層刀具在不同切削條件下軸向力均比無涂層刀具軸向力低，進給量f=0.3 mm/r時，減小幅度可達20%。

（2）鉆削加工中刀具最高溫度隨著轉速及進給量的增加而增加，其中進給量對鉆削溫度影響更大。復合涂層刀具由于摩擦因數較低和高熱導率，使得其切削溫度明顯低于無涂層刀具。TiC/Al2O3復合涂層刀具的切削最高溫度比無涂層刀具降低了35%。

（3）對比仿真數據與鉆削實驗結果，仿真分析的鉆削力與鉆削溫度與實際測量數值誤差較小，保持在10%以內。說明進行有限元仿真分析結果對高溫鎳基合金Inconel 718切削加工有重要參考價值。