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; LIU Hai; WANG Minghong; LIU Xueyong

网刊加载中。。。

使用Chrome浏览器效果最佳，继续浏览，你可能不会看到最佳的展示效果，

确定继续浏览么?

复制成功，请在其他浏览器进行阅读

摘要

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。

关键词

复合涂层; Inconel 718; 有限元仿真; 轴向力; 钻削温度; 钻削实验

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^{［参考文献 2

百度学术}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^{［参考文献 3

百度学术}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^{［参考文献 5

百度学术}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^{［参考文献 6

百度学术}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^{［参考文献 7

百度学术}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：

σ = [A + B {(ε^{P})}^{n}] [1 + C l n (\frac{{\dot{ε}}^{P}}{{\dot{ε}}^{0}})] [1 - {(\frac{T_{} - T_{r o o m}}{T_{m e l t} - T_{r o o m}})}^{m}]

（1）

式中， $σ$ 为材料的流动应力； $ε^{P}$ 为等效应变； ${\dot{ε}}^{P}$ 为等效应变率； ${\dot{ε}}^{0}$ 为参考应变率（通常为1.0/s）；T为变形温度； $T_{r o o m}$ 为室温（一般取20℃）； $T_{m e l t}$ 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

A/MPa	B/MPa	C	m	n
1 241	622	0.013 4	1.3	0.652 2

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。

（a）轴向力随主轴转速变化曲线

（b）轴向力随进给量变化曲线

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^{［参考文献 14

百度学术}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。

图5 切削参数对钻头最高温度影响

Fig.5 The influence of cutting parameters on the maximum temperature of the drill bit

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

x轴行程/mm

y轴行程/mm

z轴行程/mm

最大平均负载/kg

1 500

800

700

1 600

定位精度

/mm

重复精度

/mm

主轴转速

/r·min^-1

进给速度

/mm·min^-1

300±0.005

±0.005

6 000

1~10 000

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

ρ/kg·m^-3	c/J·（kg·K）^-1	HRC	E/GPa
8 240	481.4~707.4	40~42	206
T_melt/℃	λ/W·（m·K）^-1	v	$σ_{s} / M P a$
1 260~1 320	13.4~30.4	0.3	917~1 196.5

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7 三向动态压电式测力仪

Fig.7 Three-way dynamic piezoelectric dynamometer

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。

参考文献

周志杰，许磊，杜彦斌，等.20Cr13钢表面激光熔覆铁/镍基合金熔覆层的组织与性能研究［J］.重庆工商大学学报（自然科学版），2021，38（2）：69-74. [百度学术]

ZHOU Z J， XU L， DU Y B， et al. Study on the structure and properties of laser cladding Fe/Ni-based alloy cladding on the surface of 20Cr13 steel［J］. Journal of Chongqing Technology and Business University （Natural Science Edition）， 2021， 38（2）：69-74. [百度学术]

李重阳，龚燚，刘时兵，等.镍基高温合金的发展综述［C］//合肥：2020中国铸造活动周，2020. [百度学术]

LI C Y， GONG Y， LIU S B， et al. Overview of the development of nickel-based superalloys［C］//Hefei：2020 China Foundry Congress，2020. [百度学术]

DURUL U，lTUGRUL O. Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys： a review［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2010， 51（3）： 250-280. [百度学术]

李建明，王相宇，乔阳，等.液氮冷却低温切削镍基合金Inconel 718的试验与仿真［J］.机械工程学报，2020，56（18）：61-72. [百度学术]

LI J M， WANG X Y， QIAO Y， et al. Experiment and simulation of low temperature cutting nickel-based alloy Inconel 718 by liquid nitrogen cooling［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2020，56（18）：61-72. [百度学术]

龙重旺，陈领，郭智兴，等.TiAlN涂层与Al₂O₃复合涂层刀具高温合金切削性能研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2020（9）：154-157. [百度学术]

LONG C W， CHEN L， GUO Z X， et al. Research on cutting performance of high temperature alloy cutting tools with TiAlN coating and Al₂O₃ composite coating［J］.Modular Machine Tool and Automatic Processing Technology，2020（9）：154-157. [百度学术]

EKREM O，SEBASTAIN M，DIRK B. Chip formation simulation and analysis of the mechanical loads during micro single-lip deep hole drilling of Inconel 718 with varying cooling lubricant pressure［J］. Production Engineering，2021（9）：154-157. [百度学术]

张显银. TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层刀具的干切削性能及磨损机理研究［D］.重庆：西南大学，2018. [百度学术]

ZHANG X Y. Study on Dry Cutting Performance and Wear Mechanism of TiCN， TiAlN and TiAlCrN Coated Tools［D］. Chongqing：Southwest University， 2018. [百度学术]

赵海波.国内外切削刀具涂层技术发展综述［J］.工具技术，2002（2）：3-7. [百度学术]

ZHAO H B.Summary of the development of cutting tool coating technology at home and abroad［J］.Tool Technology，2002（2）：3-7. [百度学术]

董小虹，黄拿灿，黎炳雄，等.关于电弧离子镀Ti-N系涂层的若干技术问题［J］.金属热处理，2005（10）：70-72. [百度学术]

DONG X H，HUANG N C，LI B X，et al.Several technical issues about arc ion plating Ti-N coatings［J］.Heat Treatment of Metals，2005（10）：70-72. [百度学术]

邵海泉.车用ZL205A铝合金激光熔覆Al₂O₃/NiCrAl涂层组织及摩擦性能研究［J］.真空科学与技术学报，2020，40（11）：1034-1038. [百度学术]

SHAO H Q.Study on the structure and friction properties of laser cladding Al₂O₃/NiCrAl coating on ZL205A aluminum alloy for vehicles［J］.Journal of Vacuum Science and Technology，2020，40（11）：1034-1038. [百度学术]

李建明，王相宇，乔阳，等.液氮冷却低温切削镍基合金Inconel 718的试验与仿真［J］.机械工程学报，2020，56（18）：61-72. [百度学术]

陶亮，陈海虹，周知进，等.Inconel 718高温合金切削温度仿真及参数优化研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2020（6）：165-168. [百度学术]

TAO L， CHEN H H， ZHOU Z J， et al. Research on cutting temperature simulation and parameter optimization of inconel718 superalloy［J］.Modular Machine Tool and Automatic Processing Technology，2020（6）：165-168. [百度学术]

仵珍稷，姜增辉，鲁康平，等.GH4169高温合金钻削力的试验研究［J］.机械设计与制造，2018（8）：106-108. [百度学术]

QI Z J， JIANG Z H， LU K P， et al. Experimental research on drilling force of GH4169 superalloy［J］.Machinery Design and Manufacturing，2018（8）：106-108. [百度学术]

王辉. 镍基粉末冶金高温合金钻削仿真与试验研究［D］.济南：济南大学，2016. [百度学术]

WANG H. Simulation and experimental research on drilling of nickel-based powder metallurgy superalloys［D］. Jinan：University of Jinan， 2016. [百度学术]

董芳.高温镍基合金Inconel718的切削特性研究［J］.机械设计与制造，2017（3）：219-221. [百度学术]

DONG F.Study on cutting characteristics of high temperature nickel-based alloy Inconel 718［J］.Machinery Design and Manufacturing，2017（3）：219-221. [百度学术]

《宇航材料工艺》2025年青年编委招募启事

关闭

期刊介绍

编委会

投稿须知

复合涂层刀具钻削高温合金Inconel 718钻削性能研究 PDF

摘要

关键词