GH4169高溫合金軸向超聲振動鉆削加工實驗研究

田英健，鄒 平，康 迪，董淳昊，楊旭磊

（東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧沈陽110819）

GH4169高溫合金軸向超聲振動鉆削加工實驗研究

田英健，鄒 平，康 迪，董淳昊，楊旭磊

（東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧沈陽110819）

針對GH4169高溫合金材料鉆削加工困難、表面質(zhì)量和加工精度要求高等難題，基于在普通車床上實現(xiàn)超聲振動鉆削加工的思想，設(shè)計了一套軸向超聲振動鉆削加工系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對GH4169高溫合金材料做了軸向超聲振動鉆削與普通鉆削的對比實驗。結(jié)果表明：在不同的轉(zhuǎn)速和振幅下，軸向超聲振動鉆削相對于同一實驗條件下的普通鉆削，可明顯提高孔的加工質(zhì)量，且在切屑形態(tài)和孔表面形貌等方面均有較大改善。

軸向超聲振動鉆削；GH4169高溫合金；鉆削系統(tǒng)；加工質(zhì)量

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中有多種加工方式可用于孔加工，如激光加工、電火花加工和鉆削加工等。相對于激光、電火花等特種加工方法，鉆削加工具有生產(chǎn)效率高、加工成本低及加工質(zhì)量好等優(yōu)點。然而，隨著各種精密儀器、零件在生產(chǎn)生活中被廣泛使用，對于孔的加工精度與質(zhì)量等要求越來越高，尤其是在國防工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生及航空航天等領(lǐng)域，對各種尖端產(chǎn)品和精密機械零件的加工精度及表面質(zhì)量更是有著嚴(yán)格的要求。同時，在機械制造領(lǐng)域，各種難加工材料被廣泛使用，且微小孔加工數(shù)量日益增多，導(dǎo)致孔的加工難度不斷提高[1]。

由于在傳統(tǒng)鉆削過程中通常伴隨著鉆削力大、鉆削溫度高及排屑困難等問題，極易導(dǎo)致鉆頭磨損嚴(yán)重、鉆頭壽命低等不利條件，使鉆削加工效率降低、加工成本增高。因此，傳統(tǒng)鉆削已很難滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對于孔加工的要求，甚至在某些場合無法進行孔加工。為此，有學(xué)者提出了超聲振動鉆削的思想。經(jīng)過深入的研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動鉆削技術(shù)能在很大程度上解決傳統(tǒng)鉆削存在的問題[2-3]，尤其是軸向超聲振動鉆削技術(shù)對難加工材料具有良好的加工效果，目前已在軍工、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

GH4169高溫合金是一種常見的難加工材料。由于其具有較高的耐腐蝕性和高溫抗氧化性，在航空航天、核能電能及煤油產(chǎn)業(yè)中獲得了極廣泛的應(yīng)用[4-5]。但在機械加工中，GH4169高溫合金中的鈦、鎳等元素極易使刀具出現(xiàn)磨損和崩刃等損壞，并常常伴有積屑瘤的產(chǎn)生[6]。此外，GH4169高溫合金的導(dǎo)熱性低、加工硬化嚴(yán)重等特點使刀具散熱不暢，工件易劃傷，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量。

本文通過自行設(shè)計的一套超聲振動系統(tǒng)及專用懸梁式固定裝置，在CA6140普通車床上搭建了軸向超聲振動鉆削系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，采用不同的工藝參數(shù)對GH4169高溫合金進行軸向超聲振動鉆削和普通鉆削的對比實驗，進而分析加工孔的表面粗糙度、表面形貌和切屑形態(tài)情況。該研究將為高溫合金超聲振動鉆削加工技術(shù)發(fā)展及實際應(yīng)用提供理論支撐和實驗基礎(chǔ)，從而推動超聲振動鉆削技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

1 軸向超聲振動鉆削加工系統(tǒng)

軸向超聲振動鉆削是在普通鉆削方式的基礎(chǔ)上增加一個沿刀具進給方向的周期性振動。根據(jù)工件和刀具之間的相對運動形式及超聲振動的施加位置，軸向超聲振動鉆削的運動形式主要可分為四種：一是工件固定，刀具（即鉆頭）旋轉(zhuǎn)的同時加以超聲頻率的軸向振動；二是工件隨主軸按一定的速度旋轉(zhuǎn)，鉆頭只做沿進給方向的軸向振動；三是工件振動，鉆頭隨主軸一起旋轉(zhuǎn)；四是工件進行旋轉(zhuǎn)的同時還沿進給方向振動，而鉆頭固定不動。本文的設(shè)計思路立足于在普通車床上實現(xiàn)軸向超聲振動鉆削加工，考慮到普通車床的結(jié)構(gòu)特點和實際加工形式，在加工過程中需把工件裝夾在普通車床的三爪卡盤上，工件隨車床主軸以一定的速度進行旋轉(zhuǎn)；同時，軸向超聲振動裝置通過設(shè)計的懸梁式固定支架安放在車床刀架上，鉆頭不需旋轉(zhuǎn)，只隨刀架以一定的進給速度進行鉆削加工。

如圖1所示，軸向超聲振動鉆削系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生器、超聲換能器、超聲變幅桿及工具系統(tǒng)等四部分組成。超聲發(fā)生器可將220 V、50 Hz的市電或直流電源轉(zhuǎn)換成超聲頻率的電振蕩信號，從而驅(qū)動超聲換能器工作，為超聲振動鉆削系統(tǒng)提供能量。然后，該電振蕩信號通過超聲換能器轉(zhuǎn)換成同頻率的機械振動信號，利用超聲變幅桿將此振動的振幅進行適當(dāng)?shù)胤糯?，使其在鉆頭的鉆尖部位產(chǎn)生適合超聲振動鉆削加工的機械振動幅值，從而進行軸向超聲振動鉆削加工。

圖1 軸向超聲振動鉆削系統(tǒng)原理圖

實驗選用進口大功率發(fā)生器，能穩(wěn)定輸出頻率為20 kHz的電振蕩信號?？紤]到振幅放大系數(shù)及圓截面階梯型變幅桿的設(shè)計特點，設(shè)計了超聲變幅桿，并通過自行研制的專用螺桿將該超聲變幅桿與刀具系統(tǒng)緊密連接起來。為了在普通車床上實現(xiàn)對裝夾在卡盤上的工件進行軸向超聲振動鉆削加工，本文根據(jù)所選的超聲振動裝置及車床刀架的結(jié)構(gòu)、尺寸，考慮到超聲振動裝置的夾持要求，完成了對懸梁式固定支架裝置的設(shè)計，使超聲振動裝置緊緊固定在車床刀架上，且能隨車床刀架完成橫向和縱向的運動，從而實現(xiàn)軸向超聲振動鉆削加工。在進行懸梁式固定支架的設(shè)計時，除了要實現(xiàn)對超聲振動系統(tǒng)的固定夾持外，還需考慮鉆頭的夾持高度，嚴(yán)格保證鉆頭中心線與工件中心處于同一周線上。

2 鉆削加工實驗

在軸向超聲振動鉆削實驗中，選用直徑30 mm的GH4169高溫合金棒料作為工件。為了充分利用工件材料，同時考慮到便于工件在機床卡盤上的夾持，在鉆削加工前先用電火花線切割加工將棒料分割成長度為15 mm的若干個小段，并對其依次進行編號。GH4169高溫合金的化學(xué)成分及力學(xué)特性分別見表1和表2。可看出，材料中的Ni、Cr等元素含量很高，Ni元素易引起材料在加工過程中產(chǎn)生較大的塑性變形而導(dǎo)致加工硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生，Cr元素會使材料與刀具之間的粘結(jié)傾向加劇。此外，GH4169高溫合金具有較高的硬度和強度，其加工性能極差，相對可加工性甚至達不到45鋼的1/5，是目前最難加工的材料之一。

根據(jù)GH4169高溫合金難加工的特點，本實驗選擇硬度高、耐磨性和耐熱性好的硬質(zhì)合金鉆頭，其直徑為6 mm，鉆尖角為140°。通過采用不同的振幅和轉(zhuǎn)速，對GH4169高溫合金進行普通鉆削與軸向超聲振動鉆削的加工對比分析。由于GH4169高溫合金材料硬度較高，且在鉆削過程中易產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，故實驗中選用的鉆削速度不宜太高，以免在鉆削過程中產(chǎn)生溫度過高、鉆頭磨損嚴(yán)重等不利現(xiàn)象，從而影響實驗效果。經(jīng)分析，實驗選用的主軸轉(zhuǎn)速n分別為125、200、320 r/min，選用的振幅A分別為0、10、15 μm。在軸向超聲振動鉆削加工過程中，自動進給的方式無法控制鉆削力，若加工過程中鉆削力過大，極易損壞鉆頭，影響實驗的進行，嚴(yán)重時甚至?xí){操作者安全。因此，本實驗選用手動進給方式。此外，實驗需在干燥環(huán)境下進行。

表1 GH4169的化學(xué)成分

表2 GH4169的力學(xué)特性

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 孔內(nèi)表面平均粗糙度對比分析

利用三維輪廓儀分別在各加工表面選取五個點進行測量，獲得其表面粗糙度值，然后求取平均值，作為各加工表面的平均粗糙度值，實驗結(jié)果見表3。可見，當(dāng)振幅為0 μm（即普通鉆削）時，不論轉(zhuǎn)速多少，加工表面的平均粗糙度值均高于2.0 μm；而添加超聲振動的鉆削加工表面粗糙度值均低于2.0 μm。因此，軸向超聲振動鉆削加工能有效降低加工孔的表面粗糙度值，提高孔的加工質(zhì)量。

3.2 孔內(nèi)表面形貌對比分析

鉆削實驗完成后，采用電火花線切割的方式將工件剖開，利用超景深三維顯示系統(tǒng)分別測量各工件的表面粗糙度和表面形貌，結(jié)果見圖3。可看出，普通鉆削所得的孔表面具有許多大小不一的凹坑和裂紋，表面質(zhì)量很不好。這是由于高溫合金具有導(dǎo)熱性低的特點，加工時產(chǎn)生的高溫?zé)o法及時傳遞出去，從而導(dǎo)致鉆削溫度升高，使刀具和加工表面粘連，造成加工表面出現(xiàn)不規(guī)則的凹坑。同時，高溫合金加工硬化嚴(yán)重，鉆削過程中易在加工表面產(chǎn)生細(xì)小的裂紋而影響加工質(zhì)量。相對于普通鉆削，超聲振動鉆削得到的孔表面十分光滑，且有明顯的有規(guī)則的紋理，表面質(zhì)量明顯提高。這是由于振動鉆削時，刀具和工件表面直接產(chǎn)生周期性的分離和接觸，從而產(chǎn)生規(guī)則的細(xì)小振痕。另外，這種非連續(xù)的鉆削方式能有效降低鉆削力，減小加工硬化效果，從而大大改善加工質(zhì)量。

表3 實驗數(shù)據(jù)表

圖3 孔內(nèi)表面形貌對比（20×）

3.3 切屑形態(tài)對比分析

不同的加工方式會形成形態(tài)各異的切屑，切屑形態(tài)能很好地反映刀具與工件之間相互作用的情況，所以切屑形態(tài)的分析對研究工件表面加工質(zhì)量具有重要意義。

軸向超聲振動鉆削是一種脈沖式加工方法，加工過程中，鉆頭與工件不再是連續(xù)切削的形式，而是通過刀具與工件的非連續(xù)性接觸進行切削。在此過程中，切削速度的大小和方向都隨時間而不斷變化，這使得軸向超聲振動鉆削會得到與普通鉆削形態(tài)不同的切屑。圖4是有、無超聲振動狀態(tài)下鉆削GH4169高溫合金所得到的切屑形態(tài)被放大100倍時的超景深光學(xué)圖像?？煽闯觯胀ㄣ@削的切屑邊緣帶有較大的毛刺，且有明顯的材料撕裂痕跡（圖4a）。這種毛刺會增大切屑與材料之間的摩擦，一方面使切屑不易排出，另一方面會增加切削溫度，加劇鉆頭磨損。此外，這種切屑極易劃傷工件表面，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量下降。相比于普通鉆削，軸向超聲振動鉆削所得到的切屑邊緣毛刺現(xiàn)象有明顯改善，其表面光滑平整，可顯著減少切屑對工件表面的刮擦劃傷，從而提高表面加工質(zhì)量（圖4b）。

圖4 鉆削GH4169的切屑形態(tài)對比（100×）

4 結(jié)論

（1）在對GH4169高溫合金進行鉆削加工時，采用軸向超聲振動鉆削相對于普通鉆削會顯著提高孔表面加工質(zhì)量。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為320 r/min、振幅為10 μm時，孔內(nèi)表面平均粗糙度為Ra1.62 μm，相比同等轉(zhuǎn)速下的普通鉆削孔內(nèi)表面平均粗糙度Ra2.21 μm有明顯降低。

（2）相比于普通鉆削加工，軸向超聲振動鉆削可明顯改善孔表面形貌。普通鉆削所得的孔表面具有許多大小不一的凹坑和裂紋；而軸向超聲振動鉆削得到的孔表面十分光滑，且有明顯的有規(guī)則的紋理，表面質(zhì)量有了明顯提高。

（3）普通車削GH4169的切屑邊緣帶有較大的不規(guī)則毛刺，易對工件表面產(chǎn)生刮擦劃傷而降低表面質(zhì)量；軸向超聲振動鉆削生成的切屑更平整、光滑，且切屑邊緣處的毛刺現(xiàn)象得到了極大改善。

[1] 曾忠.微孔的超聲振動鉆削技術(shù) [J].中國機械工程，2001，12（3）：297-299.

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[3] PARIS H，TICHKIEWITCH S，PEIGNé G.Modelling the vibratory drilling process to foresee cutting parameters[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54（1）：367-370.

[4] DENG G J，TU S T，ZHANG X C，et al.Grain size effect on the smallfatigue crack initiation and growth mechanisms of nickel-based superalloy GH4169[J].Engineering Fracture Mechanics，2015，134：433-450.

[5] HSU C Y，LIN Y Y，LEE W S，etal.Machining characteristics of Inconel 718 using ultrasonic and high temperature-aided cutting [J].JournalofMaterials Processing Technology，2007，198（1-3）：359-365.

[6] 易俊杰.鈦合金高速銑削力試驗與有限元數(shù)值分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

Study on Drilling Experiments of GH4169 Superalloy with Axial Ultrasonic Vibration

TIAN Yingjian，ZOU Ping，KANG Di，DONG Chunhao，YANG Xulei
（ School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China ）

According to the machinability difficulty of GH4169 superalloy，and the high demands for the quality of machined surface and the machining precision，the axial ultrasonic vibration drilling system was designed based the idea that realize ultrasonic vibration drilling on the ordinary lathe.By using this machining system，the contrast test was conducted to compare axial ultrasonic vibration drilling with conventional drilling for the GH4169 superalloy material.The results indicate that under the same experimental conditions，the axial ultrasonic vibration drilling processing can significantly improve the machining quality compared with the ordinary drilling process when different rotational speed and the amplitude was used in the test，and the chip morphology and surface morphology also was improved substantially.

axial ultrasonic vibration drilling；GH4169 superalloy；drilling system；processing quality

TG506.5

A

1009－279X（2017）04－0048-04

2017-02-21

沈陽市科學(xué)技術(shù)計劃項目（F16-205-1-05）

田英健，男，1991年生，博士研究生。