高性能高温合金钻头试验研究.pdf
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1、基金项目:贺州学院教授科研启动基金()收稿日期:年 月高性能高温合金钻头试验研究师润平,杨显宏,韩春钰贺州学院;深圳市航天精密刀具有限公司摘要:高温合金切削加工性能差,采用传统钻头加工高温合金存在零件效率低和刀具寿命很短等问题,因此需要研制新型钻头。新型钻头从基材、涂层、几何结构到冷却方式都进行了系统性和针对性优化。切削试验表明,新型钻头的最大轴向钻削力仅为传统钻头的 左右,孔壁的表面粗糙度 值仅传统钻头的 ,切削 后仍处于可继续切削的正常磨损状态,与其他厂家钻头相比,磨损量小且寿命优势明显。新型钻头能够满足高温合金和钛合金钻削加工中的长寿命和高精度要求。关键词:高温合金;新型钻头;加工精度;
2、刀具寿命中图分类号:;文献标志码:,:,:;?引言在航空航天发动机领域,高温合金是制造热端部件的关键材料,发动机的性能在很大程度上取决于高温材料的性能。新型的先进航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的 ,同时,其他领域(如燃气轮机、核电等领域)对高温合金的需求量也在增加。虽然高温合金种类很多,但以 牌号(对应国内 )为代表的镍基高温合金目前应用较广。高温合金能在高温氧化气氛及燃气腐蚀条件下工作可保持较高的强度,具有优良的热稳定性能及热疲劳性能。然而,高温合金同样具有切削加工性能差的问题,尤以镍基高温合金最难加工。的切削性能只有 钢的 ,的切削性能只有 钢的 ,具体指标对比如图 所示 。钛合
3、金因具有密度小、比强度高、导热系数低、耐高温低温性能好和耐腐蚀能力强等特点而被广泛应用于航空航天领域。高温合金和钛合金都属于耐热优质合金(标准工件 组),切削过程会出现加工硬化和大量热量。切削性能与不锈钢(标准工作 组)类似,但更难切削,且会降低刀具的切削刃寿命 。表 为高温合金的材料特性和对切削工具的要求 。()钢()高温合金图 高温合金切削性能对比表 高温合金的材料特性和切削工具要求具有的特性高温合金的材料特性切削现象高温合金用切削工具要求具有的特性与工具材料的亲和性大,高温强度大,热导率小,容易加工硬化加 工 表 面 粗糙,刀刃缺口崩刃,切削温度高,容易磨损工具,切削阻力大工具材料:抗折
4、力、耐磨性、高温硬度;工具形状:锐度和强度最适合的刀尖形状;涂层膜质:加工材料与亲和性低的物质、耐热性、隔热性、耐磨性、润滑性。年第 卷 从图 和表 可以看出,高温合金的切削性能差,对刀具性能的要求高,传统通用刀具无法胜任,钻削刀具因工况恶劣寿命更短,有时甚至无法完成单件加工,因此有必要设计高温合金新型专用钻头。国内外学者对高温合金切削加工进行了大量研究,但大多数文献为铣削加工,钻削加工相对较少。关于钻削加工的研究大体分为以下三类。第一类以钻尖形状为研究对象,包括横刃形式、主切削刃和后刀面形状。马文宇 选择五种不同类型钻尖刃形及容屑槽结构的麻花钻进行 钛合金钻削试验和仿真,发现提高卷屑角(凹形
5、刃)有利于降低切削力、切削温度并且有助于断屑,降低卷屑角有利于降低刃口应力、提高刃口强度。范显琪 通过试验和仿真探讨了三种不同主切削刃结构对改善 钻削过程的可能性,得出凸型主切削刃结构刀具优于凹形刃和平直刃,凸形刃钻削时的钻削温度最低,刀具磨损最轻,刀具所受钻削负载最小。李志慧等 选取了四种不同钻尖结构的整体硬质合金麻花钻,基于 仿真分析和 钻削实验,通过研究不同钻尖结构对切削力、切削温度及应力分布的影响得出,横刃较长的 型钻头磨损最小,寿命最长,但切削力最大,其他三种钻头横刃较短,强度偏弱,失效形式均为横刃处崩刃;型钻头的断屑和排屑性能更好,可以减少堵屑情况发生,提高刀具寿命。第二类以切削用
6、量为研究对象。高利 通过有限元仿真和试验分析刀具直径、主轴转速、进给量等不同切削参数对钻削力和扭矩的影响规律。王辉 通过仿真和试验分别研究了钻削速度、进给量对钻削力、扭矩、钻削温度的影响规律,以及钻削加工该材料时刀具钻削温度沿主切削刃的分布特征,得到钻削镍基粉末冶金高温合金的最优参数解组合。孙晋亮 对钻削高温合金时切削用量与切屑形成、刀具磨损的关系进行了研究,得出增大切削速度和进给量均会加剧刀具磨损,但增大进给量对加剧刀具磨损的作用相对较小;切削速度越大,切屑的变形程度越小,更有利于切屑的形成;进给量越大,切屑变形系数也随之增大,切屑形状卷曲程度变大,切屑卷曲半径减小且易断屑;刀具顶角及螺旋角
7、对切屑形态的影响较小。仵珍稷等 通过正交试验方法和极差分析法对不同切削参数对轴向力和扭矩的影响进行研究得出,在钻削加工 镍基高温合金时,影响钻削轴向力的因素依次为直径 转速 每转进给量;影响扭矩的因素依次为直径 每转进给量 转速。第三类以几何参数为研究对象,包括顶角、前角、后角、螺旋角等。张二伟 对标准钻头的顶角及后角进行了修磨,再用修磨后的钻头在不同切削速度与进给量下对 分别进行了单因素钻孔试验和三因素三水平正交试验,得出各因素对钻削力、钻削温度的影响规律并求得了经验公式,并对 钻头与标准钻头钻削 进行了仿真,得出其可以良好地改善横刃处的应力状态。任梦羽 通过单因素试验和正交试验方法来研究不
8、同切削参数和不同刀具几何参数对切削力、切削温度和切屑形态等加工特性的影响,得出钻削加工 时刀具产生的温度主要分布在钻头横刃、主切削刃和横刃转点处;钻削加工过程中钻头的横刃承受的切削力最大,最容易引起崩刃。房晨等 通过钛合金钻削过程的有限元分析,研究了不同的后角、螺旋升角、横刃斜角和刃口钝圆半径的硬质合金麻花钻对钛合金钻削性能的影响。综合来看,上述研究缺乏系统性,对刀具设计制造的指导作用有限,本文基于高温合金钻削要求切削工具具备的特性,对高温合金钻头进行系统设计并通过切削试验验证,探讨高温合金专用钻头设计制造技术。?耐热合金专用钻头设计鄢春根等 对伊斯卡公司的硬质合金切削工具专利分析表明,改进硬
9、质合金切削工具的技术手段主要有三种:改变结构、改善材料和涂层技术。针对高温合金的切削特性,新型钻头需要从刀具材料、涂层性能和刀尖形状等方面进行系统优化,才能实现综合效果。?钻头材料超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金,其 粒度一般为 ,是普通硬质合金 粒度的几分之一到几十分之一,具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其硬度一般为 ,抗弯强度为 ,含钴量比一般 硬质合金高,与加工材料的相互吸附扩散作用较小,这种优异防黏结的性能表现,使超细合金刀具显示出良好的切削性能 。同时硬质合金中的黏结剂 含量越高,抗弯强度和断裂韧性越高 。因此应选用 含量为 的超细晶粒硬质合金。新型专
10、用钻头基体材料选用兼具高耐磨性和耐崩刃性能的超细颗粒工 具 技 术硬质合金牌号 ,这种硬质合金通过优化 粒度和黏结剂 的含量,提高了硬度和断裂韧性值,具体性能如表 所示,图 为其表面 形貌。表 新型钻头基体材料的物理性能 含量()晶粒度()抗弯强度()密度()硬度()图 新型钻头基体材料表面形貌?刀具涂层新型专用钻头涂层采用 纳米多层涂层。纳米多层涂层综合了 涂层导热系数低、与基材优良的黏合性以及 涂层高抗氧化性、高热稳定性、高硬度和高温低摩擦等特点,能有效地降低刀具与工件之间的摩擦系数,可以在受切削热和振动影响很大的钻孔加工中有效抑制热裂纹和涂层剥离,从而显著提高钻头的抗磨损能力和刀具使用寿
11、命 。图 为单层涂层(,)、纳米多层涂层(,)以及未涂层刀具切削 高温合金的切削寿命曲线。可以得出,纳米多层涂层在切削过程中表现出更好的切削性能 。图 未涂层和涂层刀具切削 的寿命通常涂层后的钻头表面会附着部分微小不规则颗粒,并形成细微的凹凸不平的表面。为了使切屑的流动平滑并防止异常损坏,对表面的一层涂层进行柔性抛光处理可以提高钻头的排屑性能和抗黏屑性能,并降低切削阻力。此外,在涂层前要进行钝化处理,提高抗崩性和涂膜的附着力。?钻尖形状钻尖形状对钻头钻削性能影响大,一般情况下横刃处的钻削力可占整个钻头切削力的 左右。在钻削耐热合金材料时,必须对标准钻头结构进行改进或使用特殊结构钻头,否则钻尖很
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