高溫合金的鉆孔加工

■湖北武漢航達航空科技發展有限公司 （430040） 梁 暉

高溫合金分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金，是在760～1 500℃、一定應力條件下、長期工作的高溫金屬材料。具有優異的高溫強度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能、良好的抗疲勞強度及斷裂韌性等綜合機械性能。廣泛用于航天、航空、各種熱處理設備。隨著冶金技術的日益發展，高溫合金的綜合性能得以進一步提升，使得這種金屬材料的加工難度不斷增加。

圖1 常用金屬材料機械屬性矢量圖

1.高溫合金的機械特性

高溫合金的晶格組織細密，并含有許多高熔點合金元素 Fe、Ti、Cr、Ni、V、W和Mo等，這些合金元素與其他合金元素構成純度高、組織致密的奧氏體合金。而且有的元素與非金屬元素C、B、N等構成硬度高、比重小、熔點高的金屬與非金屬化合物。使切削加工性能變差。相對45鋼的切削性能，高溫合金的切削性能只有其5%～20%。高溫合金與常用、金屬機械屬性對比矢量如圖1所示。各類高溫合金的材料特點相比如附表所示。

綜合高溫合金的切削加工特點如下：

（1）切削力大：高溫合金的塑性好、強度高。在較高溫度時，仍保持高強度。加工時所需切削力是普通合金鋼材料的2～5倍。

（2）切削熱量高：高溫合金的導熱系數小，加工時熱量集中在切削區，不易擴散。致使切削刀具迅速磨損。

（3）切削表面硬化嚴重：高溫合金的硬度不高，但塑性好。加工時切削區的晶格扭曲嚴重，冷作硬化現象高。已加工表面硬度比基體硬度高50%～99%。

（4）刀具磨損快，使用效率低：高溫合金中含有大量的硬度高、比重小、熔點高的金屬間化合物及非金屬化合物，構成硬質點。使刀具機械磨損加劇。由于切削力大、切削溫度高。在高溫高壓下，刀具與被切削材料極易產生粘接而造成粘接磨損。此外，在高溫下切削，材料與刀具間的金屬擴散現象加大，產生擴散磨損。極端情況下，一些普通材料的刀具（如高速鋼類刀具），甚至無法完整切削高溫合金。

高溫合金的材料特點對比表

（5）零件加工精度難以保證：由于前述幾項原因，高溫合金的表面加工完整性較難保證，精加工時常常在粗加工時產生的冷作硬化層中進行，有些刀具材料無法完成一個加工面的完整切削。特別是孔加工時的鉸削加工，在加工時刀具本身對材料有擠壓作用，極易發生粘刀、產生積屑瘤、刀具崩刃等現象。最終破壞加工表面。

2.加工高溫合金的刀具材料選擇

由于高溫合金材料的難加工特性，使得選擇適當的刀具材料來加工高溫合金，至關重要。刀具材料的不同對高溫合金的加工效率、表面加工質量有著明顯效果。理論上加工高溫合金首選陶瓷刀具，其次帶涂層硬質合金刀具，再次無涂層硬質合金刀具，最次采用高速鋼刀具。而各種刀具材料的選擇要根據零件的加工要求、加工方式、工藝條件、加工環境、經濟性等多項條件來決定。各種刀具材料的高溫硬度與韌性的關系如圖2所示。

由圖2可知，金剛石、立方氮化硼、陶瓷類刀具硬度高，但韌性稍差。加工時易出現崩刃現象?？稍谶B續無間斷切削、開放式加工條件下優先選用。如外圓或端面的精加工車削。金屬陶瓷、涂層硬質合金、細顆粒硬質合金（帶涂層）、細顆粒硬質合金、無涂層硬質合金類硬度較高、韌性較好，適合在多種情況下加工高溫合金。而高速鋼及涂層高速鋼韌性最好，但硬度最低。適合制作形狀復雜的成型刀具。

3.加工高溫合金刀具的幾何角度選擇

在相同的加工、冷卻條件下刀具的幾何角度不同。對切削加工的結果有著深遠的影響。試驗數據表明，在切削區域，切削過程中所產生的切削熱約64%由切屑帶走，18%導入工件，12%導入刀具，8%由周圍介質（如切削液或空氣）帶走。因此，加快切屑的流速，使切削熱快速流出切削區域，是降低刀具發生磨損的最有效措施。高溫合金的導熱性差，與刀具的粘接傾向大。材料中包含的金屬間化合物及非金屬化合物所形成的硬質點，加劇了刀具的磨損。同時也加大了切削熱的產生。綜合各項原因考慮，加工高溫合金刀具應達到以下幾點要求：

（1）在不影響刀具強度的情況下，盡量加大刀具前角γo。使切屑盡快流出切削區域，將熱量盡快帶離切削區域擴散。使切削區域溫升降低，以減少刀具磨損發生。一般情況下γo≈10°不采用負倒棱。

圖2

（2）盡可能的減小刀具后角αf。后角的減小，使刀具的強度加大、刀具楔角增大。增大了刀具散熱能力、減小了刀具磨損發生。通常采用αf=6°～8°。因高溫合金切削后的表面易反彈，與刀具后刀面產生強烈摩擦。產生高溫，磨損刀具。宜在切削區外磨出第二后角，以減少摩擦生熱。第二后角αf=10°～15°。

（3）粗加工時刃傾角λS=－5°～－10°，精加工時刃傾角λS=0°～3°。

（4）刀尖圓弧半徑0.5～2mm，粗加工時取大值。

4.實踐操作

生產工作中需要加工一種進口高溫合金，牌號Inconel718。對應國家標準材料為GH4169。是一種鎳基高溫合金。工藝要求材料淬火處理，淬火后38～42HRC。需在工件上鉆6個φ12.7mm孔，孔深40mm。由于批量小、工期緊。刀具采購周期長等條件限制，只能用W18Cr4V的普通高速鋼鉆頭加工。

首先采用標準麻花鉆加工。加工時，減小鉆頭橫刃寬度，以減小鉆削時的軸向力。并采用自動進給、沖水冷卻。轉速n＝63 r/min（線速度v＝2.5m/min）、進給量＝0.08mm。鉆削深度＜5mm時，鉆頭已磨損嚴重，不能繼續加工。采用轉速n＝90r/min（線速度v＝3.6 m/min）、進給量=0.12mm，鉆削深度＜5mm時，鉆頭已磨損嚴重，不能繼續加工。兩種鉆頭磨損的情況：轉速n＝63r/min（線速度v＝2.5m/min）時，鉆尖磨損較嚴重。轉速n＝90 r/min（線速度v＝3.6 m/min）時主要是鉆頭外刃鋒角處磨損。

鉆頭的線速度是以鉆頭外徑來計算的，鉆頭中心的線速度理論為v=0 m/min。鉆頭主切削刃各點的切削速度從鉆心到鉆頭外刃逐漸加大。鉆頭中心附近處因線速度太低，鉆頭材料與工件材料發生摩擦擠刮，產生高溫并且不能及時排開、冷卻，造成鉆頭中心迅速升溫、磨損。鉆頭鋒角的線速度最高，當線速度增高時，外刃鋒角快速升溫，因強度不足產生磨損。

以上的磨損產生都是線速度不當造成無法加工。但這兩種線速度已經非常接近，不論調高或調低線速度，都會使另一種磨損情況加劇。所以，不能通過調整線速度來解決問題。當然，這是因為受刀具材料影響，如果采用硬質合金或高釩高速鋼，這種情況就會得到改善。但是，目前只能用W18Cr4V的普通高速鋼鉆頭來加工。

于是，嘗試改變鉆頭的角度。針對鉆頭加工高溫合金時的受力情況，合理采用刀具形狀、刀具角度來解決問題。普通麻花鉆頭自身的結構決定了鉆頭的前角γo是由鉆尖到外刃鋒角逐漸加大的。鉆尖處為0°甚至是負角度，鋒角處最大，等于90°排屑槽的螺旋升角（普通麻花鉆頭的螺旋升角是60°，即90°－60°＝30°），鋒角處前角最大，楔角最小，刀具實體最尖銳，刀體強度最低。熱量最不易散發；鉆心處線速度最低，前角為負，受到的軸向抗力最大，鉆尖與工件材料摩擦最嚴重。這是鉆頭在兩種非常接近的線速度產生不同位置磨損的主要原因。也是我們無法加工的矛盾點。

鋒角處線速度最高，溫升最快。而且，鋒角處刀體強度最低，極易發生各種磨損，使刀具失去鋒利。因此，通過改變鋒角前角γo的大小、改變鋒角的形狀等方法來強化刀具，使刀具減少磨損、保持鋒利。是提高刀具使用壽命的有效手段。強化后的外刃鋒角可以承受相對較高的線速度。

在同樣轉速下，鉆頭的頂角2φ越大，所受到的軸向抗力越大。產生的熱量多積聚在最前端的鉆尖處，使鉆尖溫升加劇、磨損迅速。所以，鉆尖處宜采用較小頂角，以減小軸向抗力，降低溫升。但鉆尖處采用較小頂角時，鉆尖的強度減弱。鉆頭磨損加劇。為了強化鉆尖強度，需要選取鉆芯較厚的鉆頭，并不再刃磨鉆尖前角，保留鉆頭橫刃寬度。使鉆尖實體加大，強度提高。以減少鉆尖磨損。

綜合上述原因考慮，我們設置出圖3的群鉆，來加工這種淬火鎳基高溫合金。其中，2φ＝160°～170°，2φ2＝70°～80°，γ＝10°，αf＝6°～8°，Ψ＝70°～75°，h＝2mm，b＝2～3mm，r＝1.2～1.5mm，αf′＝6°～8°。

使用這種鉆頭，采用轉速n＝90r/min（線速度v＝3.6m/min）、進給量＝0.08mm，刃磨一次可以鉆深40mm。即可以完成一個孔的加工。完成了原本無法完成的任務。

這種鉆頭的鉆尖處頂角（第一頂角2φ2=70°～80°）采用小后角αf＝8°～10°，因此橫刃斜角Ψ較大Ψ＝70°～75°。橫刃實際寬度b＝2～3mm。同時，在主切削刃后大于約1mm處刃磨出第二后角αf′＝10°～15°。這樣，橫刃就由一條直線變為近似S形的折線，從側面看形成一個大角度的頂角2φ′=175°，使得鉆尖得到近一步強化。第二頂角2φ=160°～170°承擔了主要的軸向抗力。

將鉆頭的兩個鋒角倒圓，形成r＝1.2～1.5mm的圓弧型鋒角。并對兩鋒角的前角刃磨至γo＝10°（僅鋒角處2mm，其余各處前角γo不變），極大程度強化了鋒角，降低了鋒角的磨損發生。使鉆頭外刃鋒角在轉速n＝90r/min（線速度v＝3.6m/min）時鉆頭外刃鋒角處不易磨損，可以正常加工。

同樣，在第二頂角2φ的主切削刃后大于約1mm處刃磨出第二后角αf′=10°～15°。以減少鉆頭與工件材料之間的摩擦。并將后刀面尾部約1/4處磨去。以增大鉆頭的容屑、容液空間。

圖3 刃磨好的高溫合金群鉆

5.結語

加工時，由于第一頂角小，軸向抗力大大減少。使得切入順利，由于保留了鉆頭橫刃，使刀尖強度增強不易磨損。第二頂角承擔了主要的軸向抗力，但第二頂角的主切削刃偏離鉆心，有一定的線速度。就有了切削力，不會有擠刮產生。切削升溫就得到了控制。

相比標準麻花鉆，這種高溫合金群鉆保留了橫刃寬度，采用小頂角的方式有效解決了鉆頭中心線速度低，軸向抗力大，溫升快、鉆尖易磨損的問題。圓弧形的外刃鋒角，并配合10°的前角γo，使線速度高的部分得以最大的強化。鉆頭的使用壽命得到成倍的提高。

加工實踐證明，鉆削加工過程中，鉆頭與被加工材料之間的摩擦使鉆頭與被加工材料快速升溫。因此，采用油冷卻比采用水冷卻效果要好。油的冷卻效果比水差，但溫的潤滑作用使切削升溫得到抑制。