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[1-2]。但同時(shí)由于其加工時(shí)具有切削溫度高、切削力大、加工硬化嚴(yán)重等特點(diǎn)，是典型的難加工材料之一[3-4]。在深孔加工過(guò)程中形成的切屑不易斷屑，易造成堵屑、機(jī)床振動(dòng)劇烈以及刀具磨損嚴(yán)重等情況，導(dǎo)致孔的軸線度易發(fā)生偏斜。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，切屑的形態(tài)和孔軸心線偏斜是評(píng)價(jià)工件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。切屑直接影響到排屑的順利程度，從而對(duì)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(guò)度偏斜會(huì)導(dǎo)致工件報(bào)廢，造成一定的經(jīng)濟(jì)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(duì)GH4169合金，基于可轉(zhuǎn)位式錯(cuò)齒BTA鉆頭進(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn)，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(jìn)給量對(duì)孔軸心線偏斜的影響。

1、深孔鉆削實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為 630X8000 車(chē)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(jìn)給；加工孔徑尺寸直徑為 ? 60 mm，長(zhǎng)度 1 590 mm；刀具為可轉(zhuǎn)位式錯(cuò)齒BTA鉆頭，如圖2所示。可轉(zhuǎn)位錯(cuò)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(yàn)，加工中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為 145 r/min，進(jìn)給量為 0.04 mm/r。

鉆削過(guò)程中每隔 130 mm 收集 1 組切屑，一共收集 12組，在顯微鏡下測(cè)量切屑寬度和厚度，并計(jì)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(yàn)結(jié)果

在固定切削參數(shù)下，分析了切屑的寬度、厚度、切屑?jí)嚎s率和切屑容屑系數(shù)的變化規(guī)律。并分析鉆削初始進(jìn)給量對(duì)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(guò)程中切屑厚度和寬度的變化趨勢(shì)。

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(dòng)較大的原因，一是因?yàn)榧庸み^(guò)程中機(jī)床振動(dòng)所致，二是因?yàn)闇y(cè)量中存在誤差。中間齒和邊緣齒產(chǎn)生切屑厚度變換趨勢(shì)整體趨于平穩(wěn)，切屑厚度穩(wěn)定在 0.1 mm 左右。由于刀具的磨損，后期鉆頭出鉆階段3個(gè)刀齒產(chǎn)生的切屑厚度都出現(xiàn)增加趨勢(shì)。如圖 4 所示，3 個(gè)刀齒產(chǎn)生的切屑寬度波動(dòng)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(gè)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[5]。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(zhǎng)條形螺旋狀切屑，不易斷屑。

2.2切屑?jí)嚎s率

切屑?jí)嚎s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(lái)評(píng)價(jià)切屑形成過(guò)程中發(fā)生的塑性應(yīng)變[6]。切屑?jí)嚎s率的計(jì)算公式如下：

式中：f為進(jìn)給量； κr 為主偏角；ε為切屑?jí)嚎s率。

由式 （1） ～ （2） 計(jì)算3個(gè)刀齒切屑?jí)嚎s率如圖6所示。

切屑?jí)嚎s率在一定程度上反映了3個(gè)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(guò)程中 3 個(gè)刀齒的切屑?jí)嚎s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?jí)嚎s率出現(xiàn)上升趨勢(shì)。

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(duì)于一般內(nèi)排屑深孔鉆，當(dāng)Rv＜50時(shí)可順利排屑[7]。切屑容積 Vch與金屬所切除的體積 Vo之比稱(chēng)為切屑容屑系數(shù)，即

此次以中間齒和邊緣齒為例計(jì)算切屑容屑系數(shù)，切屑容屑系數(shù)計(jì)算公式如下[8]:

式中：w為切屑寬度；K為切屑曲率半徑； ap 為切削深度；f為進(jìn)給量。

切屑曲率半徑計(jì)算公式如下：

式中：r切屑彎曲半徑。

因?yàn)橥粋€(gè)切屑彎曲半徑相差較大，所以取切屑上5個(gè)點(diǎn)彎曲半徑平均值。結(jié)合式 （4） ～ （5） 計(jì)算出中間齒和邊緣齒的切屑容積系數(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(shuō)明切屑從工件脫離時(shí)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(guò)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(shì)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(guò)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(shì)，這是由于切屑由螺旋短屑變成螺旋長(zhǎng)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(cè)，加工過(guò)程中偏斜量難以測(cè)量，容易出現(xiàn)孔軸心線的過(guò)度偏斜，導(dǎo)致工件的報(bào)廢，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。孔軸心線偏斜也是衡量工件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。

影響孔軸心線偏斜的因素有很多，鉆頭入鉆階段的進(jìn)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(yán)重偏斜，那么隨著鉆削深度的增加，孔軸心線的偏斜會(huì)急劇增大，甚至?xí)?dǎo)致工件的報(bào)廢。本次試驗(yàn)分析鉆頭入鉆階段的進(jìn)給量對(duì)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(shì)，出鉆階段的偏斜量已經(jīng)達(dá)到0.6 mm 左右。分析原因是因?yàn)殂@削初始，進(jìn)給量太大，導(dǎo)致鉆頭受力較大，引起孔軸心線過(guò)度偏斜。

加工第二根試驗(yàn)件時(shí)，減小入鉆階段的進(jìn)給量，將進(jìn)給量設(shè)置為 0.03 mm/r，等鉆頭進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，再將進(jìn)給量設(shè)置為 0.04 mm/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(shì)如圖11所示。

從圖 11 可以看出，減小鉆頭入鉆階段的進(jìn)給量可以明顯改善孔軸心線的偏斜。當(dāng)鉆削深度達(dá)到450 mm 時(shí)，鉆頭基本進(jìn)入穩(wěn)定鉆削階段，此時(shí)將進(jìn)給量改為 0.04 mm/r，可以看出，雖然調(diào)大進(jìn)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(yǔ)

（1） BTA 鉆頭 3 個(gè)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(zhǎng)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 0.2 mm 左右，中間齒和邊緣齒產(chǎn)生的切屑厚度接近，穩(wěn)定在 0.1 mm 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?jí)嚎s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(shí)，可以順利排屑。加工中可以適當(dāng)調(diào)整切削參數(shù)，減小切屑容屑系數(shù)，以達(dá)到順利排屑的目的。

（3） 減小鉆頭鉆削初始時(shí)的進(jìn)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳明陽(yáng), 陳勇, 趙旭, 等. PCBN 刀具高速切削鎳基高溫合金切削力及刀具磨損試驗(yàn)研究[J]. 工具技術(shù), 2017, 51(4):14-17.

[2] 辛民, 王西彬, 康運(yùn)江, 等.鎳基粉末冶金零件的切削試驗(yàn)研究[J]. 工具技術(shù), 2005(06): 14-17.

[3] Durul Ulutan, Tugrul Ozel.Machi-ning induced surface integri?ty intitanium and nickel alloys:Areview[J]. International journal of machine tool and manufacture, 2011, 51(3): 250-280.

[4] Y.B.Guo, A.W.Warren, F.Hashimoto.The basic- relationships between residual stress, white layer, and fatigue life ofhard turned and ground surfaces in rolling contact[J].CIRP Journal-of Manufacture Science Technology, 2010, 2(2): 129-134.

[5] 邵振宇, 黃曉斌, 張雪飛.錯(cuò)齒BTA深孔鉆削40CrMoA的切屑形態(tài)分析與研究[J]. 煤礦機(jī)械, 2015(6):140-141.

[6] V.P.Astakhov, M.O.M.Osman. An analytical evaluation of the cutting forces in self piloting drilling using the model of shear zonewith parallelboundaries.Part1: Theory,International[J].Ma?chine Tools Manuf, 1996 (36):1187-1200.

[7] 劉戰(zhàn)鋒, 韓曉蘭. 典型難加工材料深孔加工技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社, 2020.

[8] 黃曉斌. EA4T 車(chē)軸深孔鉆削切屑形態(tài)及刀具磨損的研究[D]. 太原:中北大學(xué), 2015.

第一作者簡(jiǎn)介：李戰(zhàn)輝 （1996-），男，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)橄冗M(jìn)切削理論與技術(shù)。

相關(guān)鏈接