仵珍稷，姜增輝，魯康平，孫晉亮

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

1 引言

高溫合金GH4169具有良好的高溫強(qiáng)度和抗熱腐蝕性能，廣泛地應(yīng)用于航空航天、核能、石油化工等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。同時(shí)，它又是一種典型的難加工材料，切削過(guò)程中加工硬化嚴(yán)重、熱傳導(dǎo)率較低、切削力大，致使其加工效率較低，加工成本較高，且在孔的加工中尤為突出[4-7]。GH4169鉆孔加工中鉆削力較大，合理的選擇鉆削參數(shù)可對(duì)鉆削力進(jìn)行有效地控制，使鉆孔過(guò)程更加平穩(wěn)，改善孔的加工質(zhì)量，并提高鉆頭的使用壽命。

近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)高溫合金的鉆削進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)GH4169的高速車(chē)削與銑削試驗(yàn)，研究了高速切削GH4169時(shí)，切削用量對(duì)切削力、切削溫度、表面質(zhì)量（粗糙度、加工硬化、殘余應(yīng)力）的影響規(guī)律與特點(diǎn)；文獻(xiàn)[9]對(duì)三種典型難加工材料的鉆削力進(jìn)行了理論和試驗(yàn)對(duì)比研究，還用有限元方法對(duì)鉆削力進(jìn)行了研究，得鉆削GH4169的軸向力和扭矩最大；文獻(xiàn)[10]為了能夠預(yù)測(cè)鉆削加工中的軸向力和扭矩利用Eulerian建立了有限元模型；文獻(xiàn)[11]使用M42高性能高速鋼非涂層麻花鉆對(duì)NiCr20TiAl變形高溫合金進(jìn)行了鉆削加工試驗(yàn)研究，對(duì)切削加工過(guò)程中刀具的壽命、切屑形態(tài)和刀具失效機(jī)理進(jìn)行了研究，得出最優(yōu)鉆削參數(shù)。

通過(guò)對(duì)高溫合金GH4169的鉆削實(shí)驗(yàn)，分析了鉆削用量對(duì)鉆削軸向力和扭矩的影響，為高溫合金鉆削加工參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)。

2 鉆削實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)機(jī)床

鉆削試驗(yàn)所使用的加工設(shè)備是TH5650型立式銑鏜加工中心，如圖 1所示。行程（850×500×630），工作臺(tái)面尺寸（1000×500），主軸轉(zhuǎn)速（50～6000）r/min，主軸電動(dòng)機(jī)功率 11kW。

圖1 TH5650型立式銑鏜加工中心Fig.1 TH5650 Vertical Boring and Milling Processing Center

2.2 試驗(yàn)工件及鉆頭

試驗(yàn)所使用的工件材料是GH4169鎳基高溫合金，選擇的工件尺寸規(guī)格為：（100×50×24），如圖2（a）所示。切削加工刀具是株洲鉆石生產(chǎn)的SU系列的外冷型整體硬質(zhì)合金麻花鉆，如圖2（b）所示。鉆頭直徑分別d1=5mm，d2=6mm，d3=7mm，柄徑為直柄，其直徑分別是D1=6mm，D2=6mm，D3=8mm，鉆頭的頂角值為 Φ=140°。

圖2 加工工件及硬質(zhì)合金麻花鉆Fig.2 Workpiece and Solid Carbide Twist Drill

2.3 切削力測(cè)量原理及設(shè)備

切削刀具對(duì)工件進(jìn)行切削時(shí)與工件緊連接的壓電式平板測(cè)力儀輸出與鉆削力成比例的電荷信號(hào)，電荷信號(hào)通過(guò)高絕緣的電纜再傳到電荷放大器里，之后將測(cè)力儀產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)濾波放大后輸入到A/D數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入到計(jì)算機(jī)中利用DynoWare軟件進(jìn)行分析處理，最終得到切削力。測(cè)力原理圖，如圖3所示。試驗(yàn)中測(cè)力儀的具體參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率3000Hz、測(cè)量范圍（0～5）kN，測(cè)量時(shí)間根據(jù)具體各組試驗(yàn)走刀時(shí)間設(shè)置。切削力數(shù)據(jù)采集的試驗(yàn)加工現(xiàn)場(chǎng)，如圖4所示。

圖3 鉆削試驗(yàn)切削力測(cè)力系統(tǒng)原理圖Fig.3 Drilling Force Measuring System Schematic Diagram

圖4 切削力試驗(yàn)加工現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 The Processing Site of Cutting Force Collection

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究鉆頭直徑d，鉆頭轉(zhuǎn)速n，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fn對(duì)鉆削軸向力和扭矩影響的主次因素，本試驗(yàn)采用三因素三水平的正交試驗(yàn)進(jìn)行研究。各因素水平的具體數(shù)值是結(jié)合刀具使用手冊(cè)來(lái)確定的。試驗(yàn)過(guò)程中要保持刀具的頂角Φ和螺旋角β不變，各因素水平參數(shù)設(shè)計(jì)，如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 The Table of Orthogonal Experiment

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 軸向力與扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)通過(guò)DynoWare軟件對(duì)切削力進(jìn)行了采集，d=6mm，n=600r/min，fn=0.12mm/r的軸向力和扭矩信號(hào)圖，如圖5所示。

圖5 鉆削軸向力和扭矩的信號(hào)圖Fig.5 The Signal Chart of Drilling Axial Force and Torque

表2 正交鉆削試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Tab.2 Results of Drilling with Orthogonal Experiment

切削力大小為采集穩(wěn)定切削階段的切削力取平均值。對(duì)所有鉆削數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的操作，得到不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)給量、不同刀具直徑的軸向力和扭矩的試驗(yàn)數(shù)值。將試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)L9（33）正交實(shí)驗(yàn)表，如表2所示。

4.2 鉆削參數(shù)對(duì)鉆削力的影響

用極差分析法對(duì)試驗(yàn)所得測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得軸向力極差分析表及扭矩極差分析表，如表3、表4所示。表中可以看出三個(gè)因素對(duì)鉆削軸向力和扭矩的影響程度，及鉆削參數(shù)優(yōu)化方案。在選取優(yōu)化方案時(shí)，由于此次試驗(yàn)的指標(biāo)是鉆削力，所以指標(biāo)越小越好。

表3 軸向力極差分析表Tab.3 Range Analysis Table of Axial Force

表4 扭矩極差分析表Tab.4 Range Analysis Table of Torque

4.2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)鉆削力的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，被加工材料的剪切屈服度會(huì)降低，進(jìn)而導(dǎo)致切屑與前刀面之間的剪切角增大，摩擦角減小，彈塑性變形減小，軸向力和扭矩也隨之減小。

4.2.2 進(jìn)給量對(duì)鉆削力的影響

進(jìn)給量增大時(shí)被切削的工件金屬層變大，刀具和工件的接觸面積增大，為了克服刀具和切屑以及刀具和工件之間的摩擦需要更大的切削力，故軸向力和扭矩隨著進(jìn)給量的增大而增大。

4.2.3 直徑對(duì)鉆削力的影響

切削寬度的公式為B=d/2sinφ，鉆頭直徑與切削寬度成正比，隨著鉆頭直徑的增加切削寬度也增加，剪切應(yīng)力增大，故軸向力和扭矩都變大。

在加工過(guò)程中想要減小切削力，提高加工效率，在保證加工要求的前提下，可優(yōu)先考慮增大刀具直徑和轉(zhuǎn)速。在本次試驗(yàn)所研究的鉆削參數(shù)中，在直徑盡可能大的要求下，又能使鉆削力達(dá)到最小，最為合理的組合方案是d=6，n=1000r/min，fn=0.08mm/r。

4.3 鉆削力公式建立

切削力公式的建立是在金屬切削原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。切削力與切削參數(shù)之間存在著復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系，其通用形式一般可表示為：

對(duì)所得數(shù)據(jù)利用Matlab軟件進(jìn)行多元線性回歸分析，最后得到經(jīng)驗(yàn)公式的各系數(shù)。所得公式如下所示：

將參數(shù)為d=6mm，n=800r/min，fn=0.1mm/r的一組數(shù)據(jù)代入修正后的公式所得結(jié)果FN=1207N，M=2.24N.m。而與其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)所得的結(jié)果為FN1=1320N，M1=2.20N.m。兩組數(shù)據(jù)的誤差值在10%以?xún)?nèi)，由此可以看出所得到的修正公式的正確性。

5 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)方法并利用正交試驗(yàn)的極差分析法研究不同切削參數(shù)對(duì)軸向力和扭矩的影響，可以得到如下結(jié)論：（1）在鉆削加工GH4169鎳基高溫合金時(shí)，相同刀具直徑下鉆削軸向力和扭矩隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加而減小。（2）鉆削軸向力和扭矩隨著刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和直徑的增加而增加，但直徑對(duì)軸向力和扭矩的影響力比進(jìn)給量大。（3）經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)的極差分析可得影響鉆削軸向力的主次因素為：直徑＞轉(zhuǎn)速＞每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；影響扭矩的主次因素為：直徑＞每轉(zhuǎn)進(jìn)給量＞轉(zhuǎn)速。