复合涂层刀具钻削高温合金Inconel 718钻削性能研究

刘 海 王明红 刘雪勇

（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620）

文 摘 高温合金Inconel 718是一种典型的难加工材料，本文利用DEFORM-3D 软件对无涂层、TiC 单涂层和TiC/Al2O3复合涂层硬质合金刀具进行钻削高温合金Inconel 718的仿真分析，研究在不同钻削条件下复合涂层刀具的切削性能，并进行钻削实验进行验证。结果表明：TiC/Al2O3复合涂层刀具能有效降低钻削轴向力和钻削温度，其轴向力降低幅度最高为20%，钻削温度最高降低了35%。通过钻削实验验证了仿真模型的准确性，可为实际钻削加工高温镍基合金Inconel 718中选择涂层种类及钻削参数提供参考。

0 引言

高温合金Inconel 718 因其具备良好的强度、耐磨性和抗氧化腐蚀性能等特征被广泛地应用在航空航天、生物医药等工业技术领域［1］。但其导热性差、切削温度高、切削刀具磨损严重等问题导致其加工效率较低，是常见的难加工材料［2］。孔加工工序在机械制造加工工序中十分重要，在所有机械加工工序中孔加工的占比大约达到三分之一。同时，钻削加工闭环加工方式，相对于切削、铣削等更为复杂［3］。因此研究高温合金钻削性能对减小刀具磨损、提高加工效率有着积极意义。

为有效改善高温合金Inconel 718的切削加工性能，国内外许多学者进行不同方面的研究。李建明等［4］对镍基合金Inconel 718开展低温切削加工实验，并进行低温静态拉伸和Hopkinson 压杆试验，结果表明：低温切削技术对镍基合金Inconel 718的切削加工性有较显著的提高。龙重旺等［5］开展了进给量为单因素变量的切削实验，对刀具磨损、切削力、工件表面质量三方面对比研究Al2O3复合涂层与TiAlN涂层硬质合金刀具的切削性能，实验表明TiAlN涂层硬质合金刀具在上述三方面表现均优于Al2O3复合涂层。EKREM［6］对高温合金Inconel 718进行深孔钻削实验，并优化了麻花钻的几何参数，实验结果表明优化后的麻花钻能有效降低钻削力，延长刀具使用寿命，提高加工效率。张显银等［7］发现在相同切削参数条件下，未涂层刀具上的切削力、切削温度和刀具应力最大，其次是TiCN涂层刀具，TiAlN涂层刀具最小。TiAlN涂层刀具上的切削温度和切削力小于TiCN涂层刀具，仿真分析与切削试验结果相吻合。

目前，关于复合涂层刀具钻削加工高温合金Inconel 718的研究相对较少，且大部分研究都主要针对涂层刀具的磨损方面，关于钻削力和钻削温度研究还有待深入。因此，本文应用DEFORM-3D 有限元软件对高温合金Inconel718 钻削加工过程进行有限元仿真模拟，分别研究无涂层、TiC 单涂层和TiC/Al2O3复合涂层刀具对钻削力、钻削温度及刀具磨损的影响，拟为实际加工切削高温合金提供参考。

1 钻削仿真模型

1.1 材料模型

本文采用Johnson-Cook 模型（简称JC 模型），该模型能够较好地反映高应变、高应变率和高温情况下的金属热力耦合大变形行为［8］。其表达式为：

式中，σ为材料的流动应力；εP为等效应变；为等效应变率；为参考应变率（通常为1.0/s）；T为变形温度；Troom为室温（一般取20℃）；Tmelt为材料熔点；A、B、C、n、m为材料的JC模型参数，其取值见表1［9］。

表1 Inconel 718的Johnson-Cook模型参数Tab.1 Johnson-Cook model parameters of Inconel 718

1.2 仿真参数及试验方案设置

为保证仿真精度，采用DEFORM-3D 自带的刀具库中直径d为5 mm，顶角为118°，螺旋角为30°的硬质合金麻花钻。工件为Φ12 mm×2 mm 的塑性圆柱体，材质为镍基高温合金Inconel 718。钻头的最大和最小网格尺寸的比例设为4，钻头网格数量设置为20 000，工件的最大和最小网格尺寸的比例设为6，工件网格数量设置为30 000。通过自适应网格重划分系统建立的钻削模型如图1 所示。设计单因素试验方案以分析不同涂层对切削性能的影响。

图1 钻削模型及边界条件Fig.1 Drilling model and boundary conditions

在边界条件设置中，使得工件下表面与xy平面相平行，同时设置工件侧面的速度在x、y、z方向上均为0，限制工件的运动，刀具沿着-z方向进给，绕Z 轴旋转。边界条件设置示意图见图1。

2 仿真过程及结果分析

2.1 轴向力分析

在不同钻削条件下，轴向力的变化趋势较为一致。以钻削速度为2 000 r/min、进给量为0.1 mm/r时，TiC/Al2O3复合涂层刀具的钻削仿真为例，分析钻削高温合金Inconel 718 时的轴向力变化。其轴向力随钻削步数增加的变化曲线如图2所示。由图可知，钻削开始时，钻头横刃与工件相互挤压，使工件产生变形，此时钻削力开始迅速增大。随着主切削刃参与切削的长度增加，钻削半径开始增大，该阶段轴向力缓慢增大。当主切削刃全部开始参与切削，钻削半径保持不变，轴向力此时相对稳定。

图2 轴向力随步数变化曲线Fig.2 The variation curve of axial force with the number of steps

图3为在钻削稳定阶段，不同切削用量对轴向力的影响变化曲线。主轴转速增加时，金属切削量也随之增加，切削刀具与切屑及工件之间的摩擦增大，导致切削热不能及时与切屑一起排出，故钻削温度升高。此时，工件的剪切屈服强度降低，前刀面和切屑形成的摩擦角减小，对应的剪切角有所增大，故钻削力随之减小［10-12］。由图3（a）可以看出，涂层刀具的钻削力与无涂层刀具相比有明显降低，其中TiC/Al2O3复合涂层刀具降低更为明显，降低幅度最高为20%。由图3（b）可知，进给量增大会导致切削厚度增加，工件在单位时间内产生的变形量增加，变形速度和变形抗力增大，轴向力也随之增大。

图3 轴向力随切削参数变化曲线Fig.3 The variation curves of axial force changing with cutting parameters

2.2 钻削温度分析

图4为钻头在转速n=1 000 r/min、进给量f=0.1 mm/r时，三种不同涂层刀具的最高温度云图。从温度云图中不难看出刀具的温度主要集中在主切削刃和横刃上，且主切削刃的温度比横刃处温度高100 ℃左右。由于主切削刃在钻削中起主要切削作用，可以看作切削变形的第一变形区，即与工件产生最大挤压摩擦的区域，故主切削刃处温度最高［13］。横刃主要在刀具与工件刚接触时产生挤压，当主切削刃开始参与切削时，横刃开始起辅助切削作用，故横刃上的温度比主切削刃低［14］。横刃的转点处温度也较高，这是切屑在排出过程中均与横刃转点处产生摩擦导致的。

图4 不同涂层刀具钻削最高温度Fig.4 The highest drilling temperature of different coating tools

对比三种涂层刀具的最高钻削温度可知，涂层刀具对减小钻削温度有一定作用，其中TiC/Al2O3复合刀具温度降低十分明显。TiC 单涂层刀具与无涂层刀具相比，温度略有降低，但仅仅降低3%。TiC/Al2O3复合涂层刀具最高钻削温度比无涂层刀具降低了18%，效果比较显著。

图5 为钻削速度和进给量对刀具最高温度的影响规律。由图可知，当钻削速度一定时，刀具的最高温度随进给量的增加而上升，但增长幅度逐渐减小。当进给量一定时，随着钻削速度的增加，刀具最高温度缓慢上升。在转速n=1 000 r/min、进给量f=0.1 mm/r 时，TiC/Al2O3复合涂层刀具的刀具最高温度减小18%；在转速n=3 000 r/min、进给量f=0.3 mm/r 时，TiC/Al2O3复合涂层刀具的钻削最高温度减小幅度可达35%。钻削速度和进给量的增大都会导致钻削温度升高，其中进给量对刀具最高温度的影响程度高于钻削速度。

3 钻削实验验证

3.1 实验条件

实验采用YCM-V116B 立式数控加工中心，如图6所示。该机床具有柔性加工特性，一次装夹可以实现多道工序的加工，其基本加工参数如表2所示。

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

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

实验工件材料采用高温镍基合金Inconel 718，这是一种镍铬沉淀硬化高温合金，其基体镍含量约为50%～55%，主要元素包括Cr、Fe、Nb、Ta、Mo等［15］。工件的主要物理力学性能参数如表3 所示。麻花钻采用丹萨（DAPTSA）的整体硬质合金涂层刀具，基体材料为 YG6X（WC含量为94%；黏结剂为Co，含量6%）。

表3 Inconel718 物理力学参数Tab.3 Inconel 718 physical and mechanical parameters

3.2 实验结果分析

利用三向动态压电式测力仪测量获得钻削加工稳定阶段的轴向力，测量设备如图7 所示。以TiC/Al2O3复合涂层刀具在钻削速度n=1 000 r/min、进给量f=0.1 mm/r 时的仿真及实验数据进行对比，如图8所示。当刀具与工件刚接触开始钻削时，轴向力急剧增大，随着刀具切入工件，轴向力逐渐上升，当主切削刃完全参与切削时，轴向力趋于稳定状态。综上可知，实验结果与仿真结果具有较好的一致性，虽然存在一定误差，但相对误差均保持在10%以内，说明仿真结果是真实可靠的。

图8 仿真与实验轴向力数值的对比Fig.8 Comparison of simulation and experimental axial force values

图9 为三种不同涂层钻头最高钻削温度随钻削速度变化的曲线，由图可知随着钻削速度增加，刀具最高钻削温度也随之增加。涂层刀具的切削温度接近线性上升，且明显低于无涂层刀具，其中TiC/Al2O3复合涂层刀具效果更好。在低转速时，三种刀具最高切削温度相差不大；在高转速时，TiC/Al2O3复合涂层刀具比无涂层刀具最高温度减小了38%。这是由于TiC/Al2O3复合涂层刀具摩擦因数较低，可以减小刀-屑摩擦产生的切削热，同时由于TiC/Al2O3复合涂层刀具的热导率较高，可以将第二变形区产生的切削热较快传导出去。

图9 不同涂层刀具钻削温度随转速变化趋势Fig.9 The drilling temperature of different coating tools changes with the rotating speed

图10 为不同切削速度时产生的切屑形态，可以看出低速切削时产生的切屑是带状切屑，随着切削速度的增加，切削逐渐变成节状切屑和粒状切屑。由于带状切屑排屑顺畅，能够带走较多的切削热量，且低速切削时的热扩散作用较显著，所以在低速时测得的切削温度较低。随着切削速度的提高，热扩散作用减弱，主剪切区内的热量流入切屑的比例上升，同时粒状切屑堆积在刀具前刀面，使得测得的切削温度升高。

图10 不同转速条件下产生的切屑形态Fig.10 Chip morphology generated under different speed conditions

如图11 所示，每种刀具钻10 个孔之后采集刀具磨损图像。发现无涂层刀具的主切削刃磨损较为严重；TiC/Al2O3复合涂层刀具的主切削刃在相同条件下几乎没有磨损；TiC涂层主切削刃有轻微磨损。

图11 不同涂层钻头磨损情况Fig.11 Wear conditions of drill bits with different coatings

4 结论

（1）钻削加工中的轴向力会随着转速的增加而降低，随着进给量的增加而增加。TiC/Al2O3复合涂层刀具在不同切削条件下轴向力均比无涂层刀具轴向力低，进给量f=0.3 mm/r时，减小幅度可达20%。

（2）钻削加工中刀具最高温度随着转速及进给量的增加而增加，其中进给量对钻削温度影响更大。复合涂层刀具由于摩擦因数较低和高热导率，使得其切削温度明显低于无涂层刀具。TiC/Al2O3复合涂层刀具的切削最高温度比无涂层刀具降低了35%。

（3）对比仿真数据与钻削实验结果，仿真分析的钻削力与钻削温度与实际测量数值误差较小，保持在10%以内。说明进行有限元仿真分析结果对高温镍基合金Inconel 718切削加工有重要参考价值。