Inconel 718鎳基高溫合金超聲振動輔助鉆削的刀具磨損實驗研究

徐國慶,宋麗榮,張衛鋒,王蕾,吳志強

青島科技大學

1 引言

Inconel 718鎳基高溫合金具有優異的高溫強度、韌性和塑性[1],在高溫工作環境下具有抗氧化、抗疲勞性、抗蠕變、耐腐蝕和組織結構穩定等良好性能[2],因而廣泛應用在航空、航天、醫療、汽車及能源工業等領域[3-5]。但由于其難加工特性,導致刀具磨損嚴重、加工效率低和加工成本高,并且 Inconel 718經機械加工后,表面殘余應力對其抗疲勞強度和抗腐蝕性也有較大影響[6]。

丁懷博等[7]針對核級Inconel 718鎳基高溫合金開展精密切削加工試驗,結果表明:涂層硬質合金刀具前后刀面極易發生磨損,隨著進給量的增大,后刀面磨損量逐漸減小。Bhatt A.等[8]使用有涂層和無涂層的刀具對Inconel 718鎳基高溫合金進行切削實驗研究,結果表明:磨粒磨損和黏結磨損是加工鎳基合金過程中刀具磨損的主要原因。劉海等[9]使用復合涂層刀具對Inconel 718鎳基合金進行了鉆削加工,對鉆削過程中的刀具磨損情況進行了研究,結果表明:與使用無涂層刀具相比,使用TiAlN/Al2O3復合涂層刀具可減少25%的磨損量,比TiAlN和Al2O3的單涂層刀具減少了20%的磨損量。Dirk Biermann[10]使用槍鉆對鎳基高溫合金進行了小直徑的深孔鉆削加工,研究顯示,切削刃易發生磨粒磨損,鉆孔的質量和效率不高,對鉆頭形狀優化后減少了切削力,提高了刀具壽命。Marco Sorgato等[11]對軸向高頻振動鉆削下刀具的磨損情況進行了分析研究,結果顯示,與使用普通鉆削相比,使用高頻振動鉆削每齒進給量的刀具磨損面積減少了23%。薛萬夫等[12]運用振動鉆削技術對鈦合金和不銹鋼等難加工材料進行了鉆孔實驗,研究發現,對刀具施加振動后會減少刀具磨損,明顯提高使用壽命。

近年來關于Inconel 718鎳基高溫合金的加工過程有較多的研究,但是關于超聲輔助鉆削加工在Inconel 718鎳基高溫合金的研究,尤其在刀具磨損方面依舊存在空缺。本文選用Inconel 718鎳基高溫合金作為研究材料,運用超聲振動輔助鉆削加工對其進行理論與實驗研究。

2 理論研究

硬質合金刀具主要由結構相碳化鎢(WC)晶粒和黏結相鈷(Co)晶粒組成。碳化鎢的彈性模量、硬度以及屈服極限比鈷高。在交變應力作用下,碳化鎢晶?？赡馨l生一定程度的彈性變形,而不會發生劃傷。碳化鎢晶粒的表層在不斷進行的交變沖擊下可能發生局部性能變化,使強度降低,最終產生疲勞斷裂[13,14]。刀具切削工件材料時會受到材料切削表面的正壓力和摩擦力,刀具與材料周期性接觸與分離過程中,后刀面所受的摩擦力與切削表面所受摩擦力方向相反,如圖1a所示。

(a)表層碳化鎢晶粒受力

由于碳化鎢層的厚度遠大于鈷層的厚度,同時碳化鎢晶粒只發生彈性變形,故其所受摩擦力能傳遞到底部相界和鈷層中,使碳化鎢晶粒受力一側底部相界和鈷層內部發生拉伸變形,另一側則出現壓縮變形。如圖1b所示,隨著刀具與材料間交變沖擊應力次數增加,拉、壓變形交替導致碳化鎢晶粒整體脫落,這是硬質合金后刀面磨損磨粒形成的主要原因[15,16]。

刀具前刀面在切削過程中會受到斷續沖擊式載荷,初始切削時,前刀面受到的沖擊力最大,在法向上突然受到較大正壓力的作用;而切向上,刀具與材料界面上的切向相對運動尚未開始,接觸界面仍處在靜摩擦狀態。法向與切向上的受力情況使初始切削瞬間各個碳化鎢晶粒、底部相界和鈷層內出現應力集中。在刀具與材料界面的切向上發生相對運動后,新的切屑會與碳化鎢晶粒發生摩擦。因此前刀面上磨損磨粒的形成方式是碳化鎢晶粒的整體掉落和碳化鎢晶粒表層疲勞斷裂。

假設刀具與材料在切削過程中的接觸面積是As,實際的接觸面積是Am,則定義面積系數為

(1)

在一個振動周期內,會掉落一定數目的碳化鎢晶粒形成磨損微粒,假設每個作為摩擦點的碳化鎢晶粒剝落的表面層厚度是Δh,則平均晶粒度為

φ=NΔh

(2)

式中,N是在指定的切削條件中能使碳化鎢晶粒脫落的臨界應力循環次數。

刀具后刀面的切向磨損速率為

(3)

式中,Vc是磨損速率,將其作為衡量磨損量的指標;t是切削時間;CG是徑向切向磨損速率之間的換算系數;f是刀具軸向的振動頻率。

根據式(1)所示,CG,f,N,CA均為常數,故后刀面磨損速率正比于平均晶粒度φ。

對式(3)取定積分得

(4)

式中,Vco是初期的磨損量;t0是初期磨損時間。

根據式(4)可知,保持碳化鎢平均晶粒度φ一定時,正常磨損時期后刀面磨損量與切削時間成正比關系。

3 超聲振動輔助鉆削實驗研究

以鉆孔數為變量設計對比實驗方案,通過刀具微觀形貌、軸向力、鉆削溫度、孔壁表面粗糙度四個方面來研究對比兩種加工方式的刀具磨損情況。

3.1 刀具磨損實驗研究方案設計

實驗平臺主要為VB-715A立式加工中心、超聲波輔助加工裝置(見圖2)以及工裝測量系統(見圖3)。實驗材料選擇Inconel 718鎳基高溫合金,尺寸為50mm×60mm×10mm;刀具選用直徑3mm的麻花鉆,材料選用的牌號為YL10.2鎢鋼硬質合金。

圖2 超聲波輔助加工裝置

圖3 工裝測量系統

采用對比實驗,保持主軸轉速4500r/min和進給速度35mm/min不變,分別使用超聲振動輔助鉆削與普通鉆削兩種加工方式,超聲振動頻率為50kHz,振幅為4μm。以鉆孔數為變量,鉆削深度為6mm,觀測同一把刀具在不同鉆孔數量時的微觀形貌,測出不同鉆孔數量的鉆削軸向力、鉆削溫度、孔壁表面粗糙度,并從這四個方面來研究刀具磨損情況。實驗過程中使用氣槍對加工過程中的刀具進行氣冷。

3.2 刀具微觀形貌

使用上海炳宇BXM-550金相顯微鏡觀察刀具切削刃和前刀面的微觀形貌。圖4～圖6分別為鉆削5孔、10孔、15孔后切削刃的微觀形貌。圖7為鉆削15孔后的刀具前刀面微觀形貌。圖6～圖9中的圖片均放大100倍。圖8為鉆削16孔時刀具頂角形態。

普通鉆削

普通鉆削

普通鉆削

普通鉆削

(a)肉眼所見刀角形態

圖9 不同鉆孔數量時的軸向力變化

從圖4～圖6可以看出,使用普通鉆削加工鉆削5孔后,刀具的切削刃出現一定的磨損,鉆削10孔后,刀具切削刃出現少許崩刃,鉆削15孔后,切削刃已經發生較大的崩刃;使用超聲振動輔助鉆削,刀具切削刃相對較完整,只出現少許磨損。從圖8中可以看出,鉆削15孔后,使用普通鉆削的刀具,其前刀面出現凹槽,發生黏結磨損;使用超聲振動輔助鉆削的刀具前刀面,其表面形貌較為完整。

從圖8a可看出鉆削完成后刀具的橫刃嚴重破損,圖8b為金相顯微鏡放大50倍的圖像,可以看出,刀角已經被磨平,刀具無法繼續使用。

由此可見,使用超聲振動輔助鉆削能延緩切削刃變鈍的時間,改善刀具表面磨損情況,增加壽命。

3.3 鉆削的軸向力變化

使用同一把刀具連續鉆削15個孔,使用壓力傳感器分別測出鉆每一個孔時的軸向力,并取平均值,不同鉆孔數量時的軸向力如表1所示,并繪制出軸向力隨鉆孔數增加的變化情況。圖9為不同鉆孔數量的軸向力變化情況。

表1 不同鉆孔數目下軸向力

從圖9可以看出,兩種加工方式下,隨著鉆削孔的數目增加,鉆削軸向力逐漸上升,在鉆削1～5個孔時,上升速度較快,因為此時刀具和工件處于初期磨損階段,單位時間內刀具磨損量較大,因而使得軸向力上升較快;鉆孔數到達一定數目后,軸向力上升趨勢逐漸變慢,因為此時刀具和工件進入了穩定磨損階段,刀具磨損量和刀具受到的軸向力增幅減慢;鉆削11孔后可以發現,軸向力快速上升,因為此時刀具與工件之間進入劇烈磨損階段,刀具磨損量急劇增加。在相同鉆孔數量時,使用超聲振動輔助鉆削的軸向力始終低于普通鉆削;在鉆削1～10孔過程中,超聲振動輔助鉆削與普通鉆削軸向力的變化趨勢基本相同,但在鉆削11孔之后,普通鉆削下軸向力快速上升,上升速度快于超聲振動輔助鉆削,說明此時刀具磨損嚴重,其使用壽命受到影響。

從軸向力的變化趨勢來看,使用超聲振動輔助鉆削比普通鉆削可以明顯改刀具磨損情況。

3.4 鉆削溫度的變化

隨著鉆削時間的增加,刀具與工件之間的摩擦時間就會延長,刀具磨損量增大必然會導致鉆削區域溫度的增加,溫度傳遞到刀具上會進一步加劇刀具的磨損。使用紅外熱像儀分別測量普通鉆削和超聲振動輔助鉆削加工方式鉆削過程中的最高溫度,并從最高溫度的變化情況來分析兩種加工方式下刀具的磨損情況。實驗所測溫度與切削區域溫度有較大的差別,通過所測溫度的變化趨勢可以間接反映出實際鉆削溫度的變化情況,進而分析出刀具的磨損情況。

圖10為FLIR A320紅外熱像儀。圖11為與紅外熱像儀相連軟件中所顯示的熱像畫面,圖11a是鉆入時的熱像畫面,圖11b是鉆削中的熱像畫面,圖11c是鉆出時的熱像畫面。

圖10 FLIR A320紅外熱像儀

(a)鉆入時

對鉆削1～16孔過程中測得每個孔的溫度變化值取最高溫度,并分析鉆削各孔時最高溫度的變化情況。不同鉆孔數量時的最高溫度值如表2所示。

表2 不同鉆孔數量時的最高溫度

根據表2繪制出如圖12所示不同鉆孔數量時的最高溫度變化曲線。

圖12 不同鉆孔數時的最高溫度變化

根據表2可對兩種加工方式下的最高鉆削溫度取平均值,求得普通鉆削時平均溫度為94.275℃,超聲振動輔助鉆削時平均溫度為77.356℃,相比前者減少了16.919℃,減少比例為17.95%。從圖12可以看出,使用普通鉆削加工第1～4孔過程中,溫度緩慢上升,鉆削第5孔時,溫度急劇上升,此時刀具處于初期磨損階段,磨損量增加,摩擦產生的熱量快速上升,直至鉆削第11孔時刀具進入穩定磨損階段,溫度變化總體趨勢平緩,波動范圍不大,磨損程度減緩,磨損量增加速度減慢;鉆削第11孔后溫度急劇上升,鉆削15孔和16孔后發出強烈噪聲,并且能夠觀察到刀具明顯發紅,入孔處有大量火星濺出,此時,刀具劇烈磨損,導致溫度增高,溫度過高又使得刀具切削性能變差,加劇刀具磨損。使用超聲振動輔助鉆削與普通鉆削相似,溫度變化的總體趨勢先快速上升后到達穩定波動狀態,切削后期,溫度上升較快;兩種加工方式相比,使用超聲振動輔助鉆削加工時,各孔的最高溫度值明顯低于普通鉆削時的溫度。

隨著切削溫度的升高,刀具與材料出現局部黏結,在切削時,兩個接觸的摩擦表面會出現黏結點的相對移動,刀具會發生黏結磨損;鉆削過程中的溫度較高,因此,刀具與工件材料在接觸面的化學元素發生溶解與擴散,使得接觸面的化學成分發生改變并引發擴散磨損;此外,由于溫度較高,可能使空氣中的氧等元素與刀具中的碳化鎢等結合發生氧化磨損。刀具磨損又會使溫度升高,降低刀具壽命。因此使用超聲振動輔助鉆削加工時,可以通過降低鉆削溫度,減少刀具磨損量,提高刀具的使用壽命。

3.5 表面粗糙度的變化

在刀具磨損量增加的同時,孔壁表面的加工質量也會受到一定程度上的影響。實驗使用普通鉆削和超聲振動輔助鉆削兩種加工方式,每一種加工方式下用同一把刀具連續鉆削7孔,鉆削結束后使用線切割機切開孔,鎳基合金切開后孔壁如圖13所示,使用粗糙度測量儀測量鉆1,3,5,7個孔后的表面粗糙度,為了防止出現測量誤差,分別對同一孔壁測量三次表面粗糙度并取平均值。表3為普通鉆削不同孔數下孔的表面粗糙度,表4為超聲振動輔助鉆削不同孔數下孔的表面粗糙度。采用如圖14所示的TR200粗糙度測量儀測量表面粗糙度。

表3 普通鉆削不同孔數的孔表面粗糙度

圖13 鎳基合金切開后的孔壁

圖14 TR200粗糙度測量儀

根據表3與4中的數據,繪制兩種加工方式下不同鉆孔數的孔加工表面粗糙度的平均值曲線變化。不同鉆孔數的孔表面粗糙度變化如圖15所示。

圖15 不同鉆孔數的孔表面粗糙度變化

從圖15可以看出,鉆削相同孔數時,使用超聲振動輔助鉆削加工的表面粗糙度始終低于普通鉆削;隨著鉆孔數目的增加,鉆孔表面粗糙度也逐漸增加,因為此時刀具的磨損量增加,軸向力提高,但超聲振動輔助鉆削的表面粗糙度增加較緩,普通鉆削的表面粗糙度增長較快。分別對每一種加工方式下的四個鉆孔數表面粗糙度取平均值,得到普通鉆削的平均表面粗糙度為2.582μm,超聲振動輔助鉆削的平均表面粗糙度為2.127μm,減少了0.455μm,減少比例為17.63%。

超聲振動輔助鉆削能降低表面粗糙度,因為刀具振動切削下,切屑會被振碎而不會形成長條狀,切屑易于排出,不會對孔表面造成擦傷,從而降低了孔的表面粗糙度;使用普通鉆削會使切削面和切削刃磨損加劇,出現表面缺陷或破損,與孔壁之間產生劃擦,隨著鉆削數的增加,軸向力和鉆削溫度上升較快,影響加工質量,而使用超聲振動輔助鉆削能夠減小鉆削軸向力和鉆削溫度,進而減小刀具磨損的程度,刀具切削面完整性較好,與孔壁的摩擦情況相對較穩定,使表面粗糙度低于普通鉆削。

4 結語

對Inconel 718鎳基高溫合金超聲振動輔助鉆削與普通鉆削下刀具磨損情況進行了研究,制定了實驗方案,通過刀具微觀形貌、鉆削軸向力、鉆削溫度、孔壁表面粗糙度四個方面來分析刀具磨損情況,得到如下結論。

(1)使用金相顯微鏡觀察了兩種加工方式下不同鉆孔數量刀具的微觀表面形貌,普通鉆削在鉆削15個孔后出現較大的崩刃情況,超聲振動輔助鉆削刀具的刀刃只出現少許磨損,表面形貌較為完整。使用超聲振動輔助鉆削可以改善刀具切削刃和切削面的磨損情況,提高其使用壽命。

(2)對不同鉆孔數量的軸向力變化情況進行了研究,發現隨著鉆削孔數的增加,使用普通鉆削時軸向力緩慢增大,在鉆削孔數達到11孔后軸向力急劇增加,而超聲振動輔助鉆削在11孔后,軸向力依然緩慢增加,延長了刀具穩定磨損階段的時間,改善了刀具磨損情況。

(3)對不同鉆孔數量的溫度變化情況進行了研究,發現使用超聲振動輔助鉆削時,各孔的最高溫度值明顯低于普通鉆削時的溫度,超聲振動輔助鉆削的平均溫度相比普通鉆削的平均溫度下降17.95%,通過降低鉆削溫度,減少了刀具的黏結摩損、擴散磨損和氧化磨損。

(4)對不同鉆孔數量的表面粗糙度變化情況進行了研究,對兩種加工方式下加工四個孔的表面粗糙度取平均值,發現使用超聲振動輔助鉆削加工比普通鉆削的平均表面粗糙度減少了17.63%,說明使用超聲振動輔助鉆削時能夠提高孔的加工質量。