朱曉麗

(德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州253034)

鎳基高溫合金Inconel718具有廣泛的耐腐蝕性，工作溫度高和硬度高、抗磨損，在石油機(jī)械、核工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著我國(guó)川東北地區(qū)高含硫化氫、二氧化碳等強(qiáng)腐蝕性大型天然氣田的發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)鎳基合金油套管零部件的需求增加，常用于油氣鉆完井設(shè)備和固完井工具的零部件。但由于Inconel718導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫化學(xué)活性高和彈性模量小等特點(diǎn)導(dǎo)致它是一種典型的難加工材料[1]。鎳基合金深孔加工相對(duì)其他加工方法更加嚴(yán)酷，原因是在加工過程中無(wú)法實(shí)時(shí)觀察到孔內(nèi)作業(yè)狀況，切削產(chǎn)生的熱量不易擴(kuò)散和切屑排出困難[2-4]，最大的加工難點(diǎn)是加工硬化嚴(yán)重，切屑極易粘刀，嚴(yán)重地影響刀具壽命和產(chǎn)品表面質(zhì)量，而且鉆削鑄件Inconel718時(shí)材料去除率大，切削速度低，換刀頻率高，存在嚴(yán)重的高成本、低效率問題。

有關(guān)鎳基高溫合金高效加工的研究主要是針對(duì)車、銑加工，有關(guān)深孔鉆、鏜成熟的工藝參數(shù)相對(duì)較少。因此，我們有必要對(duì)鎳基合金深孔鉆、鏜削工藝參數(shù)進(jìn)行分析研究，保證深孔鉆、鏜削鎳基合金零部件加工精度和質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。本文針對(duì)鎳基合金 Inconel718材料進(jìn)行詳盡的切削試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

合適的主軸轉(zhuǎn)速和走刀進(jìn)給量是深孔鉆削過程中的關(guān)鍵因素，否則容易打刀或把鉆頭或鏜頭卡在工件中間[5-7]。在深孔加工過程中，實(shí)時(shí)觀察切屑的宏觀形態(tài)、依據(jù)經(jīng)驗(yàn)憑借聲音以及感覺機(jī)床的振動(dòng)等方式來判斷切削是否正常[8-9]；選取不同的四組切削參數(shù)進(jìn)行鎳基合金鉆、鏜孔實(shí)驗(yàn)，觀察切屑形態(tài)以及排屑情況，選定合適的切削參數(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)。試驗(yàn)過程中以鉆、鏜孔工件深度作為基本單位，每切削一定的行程取下刀片觀察磨損狀況，鉆、鏜孔試驗(yàn)參數(shù)選取見表1和表2。

1.2 刀具的選擇和應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)用內(nèi)排屑鉆頭及刀片形狀見圖1，選用耐磨性好、強(qiáng)度較高的YG類硬質(zhì)合金[10]，菱形鉆孔刀片前刀面帶有特殊的斷屑槽結(jié)構(gòu)，加大切屑的變形程度，有利于斷屑和抑制積屑瘤的產(chǎn)生。鉆頭具有內(nèi)冷孔，可以確保冷卻液順暢地到達(dá)切削區(qū)，達(dá)到冷卻潤(rùn)滑的作用，也使排屑變得更為順暢。

粗鏜鏜頭及刀片見圖2，選用涂層為235硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具。精鏜時(shí)選用涂層材料為TP40的圓刀片能最大限度地保證加工精度。精鏜鏜頭及刀片見圖3。

表1 鉆孔切削參數(shù)組合

1.3 工件材料的性能

工件材料為棒料，深孔加工，尺寸為φ150 mm×1 900 mm，常溫硬度為38 HRC。Inconel718合金含有多種金屬元素，其典型化學(xué)成分見表3。鏜孔尺寸從φ66 mm至最終孔尺寸φ72.6 mm，最后留精鏜余量0.6 mm。

表2 鏜孔切削參數(shù)組合

1.4 試驗(yàn)條件

所有的鉆、鏜削實(shí)驗(yàn)是在TK2135數(shù)控深孔鉆鏜床上完成的，試驗(yàn)設(shè)備見圖4。主軸功率60 kW，主軸最高轉(zhuǎn)速為500 r/min，最大鏜孔直徑350 mm，深度5 000 mm，手動(dòng)調(diào)整有級(jí)變速。切削過程中使用硫化油切削液。

表3 Inconel718典型的化學(xué)成分(%)

鉆孔過程中要確保斷屑、排屑順暢，需實(shí)時(shí)觀測(cè)主軸轉(zhuǎn)速電流表變化情況。當(dāng)?shù)毒吣p劇烈、積屑或有切屑堵塞時(shí)，電流變化波動(dòng)大，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的措施。

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

鉆孔時(shí)，切屑厚度ac由公式(1)計(jì)算:

式中:f為進(jìn)給速度；n為轉(zhuǎn)速。

每組參數(shù)下切屑厚度見表4。第一組參數(shù)下，切屑可以順暢排出，但機(jī)床振動(dòng)較大，崩碎狀切屑產(chǎn)生的切削熱導(dǎo)致刀具受沖擊力較大，使刀具磨損加劇，在鉆孔深度為360 mm時(shí)刀具崩刃；在第二組參數(shù)下切屑呈擠裂狀，如圖5所示，排屑不暢，刀片磨損嚴(yán)重，機(jī)床振動(dòng)較大，功率監(jiān)視器顯示消耗機(jī)床功率波動(dòng)較大，鉆孔深度420 mm時(shí)刀具崩刃至失效；第三組切削參數(shù)可觀察到整體切削過程穩(wěn)定、可靠，排屑順暢，形成穩(wěn)定連續(xù)且厚而窄的短螺旋寶塔型切屑(如圖6所示)，對(duì)排屑最有利，功率消耗電流穩(wěn)定，呈現(xiàn)連續(xù)清脆的聲音，鉆孔深度達(dá)到900 mm，刀具磨損情況如圖7所示，刀尖有輕微的磨損但仍然保持鋒利，前刀面磨損帶較均勻，后刀面磨損小。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到90 r/min時(shí)，切削160 mm時(shí)刀具打刀崩碎，如圖8所示，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是深孔加工孔的長(zhǎng)徑比大，鉆削時(shí)工件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和偏斜，從而加劇刀具的磨損；而且切削過程機(jī)床振動(dòng)劇烈，振動(dòng)聲音大而鈍，積屑纏繞在鉆頭口造成排屑不良，刀具的振動(dòng)和切屑的堵塞造成刀具崩刃打刀。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后認(rèn)為，調(diào)整鉆削參數(shù)可以得到厚而窄的短螺旋切屑，切屑厚度為0.15～0.16 mm時(shí)斷屑、排屑效果好。通過控制切屑的厚度獲得良好的切屑形態(tài)，避免在加工過程中產(chǎn)生的堵屑，刀具壽命也明顯得到了提高。試驗(yàn)結(jié)果見表4。在實(shí)際生產(chǎn)加工鎳基合金中建議使用表1中第三組切削參數(shù)，隨著鉆孔深度增加適當(dāng)加大切削液壓力，可促使切屑排出順暢，提高了深孔鉆削加工效率并降低了刀具成本。

2.2 鏜孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在不同切削參數(shù)組合下對(duì)鎳基合金進(jìn)行鏜孔加工，由于鎳基合金材料的金屬特性，切削速度是影響刀具磨損量最大的因素。鏜孔時(shí)，通過改變主軸轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兦邢魉俣葀c的值，其計(jì)算公式見式(2)。

式中:n為轉(zhuǎn)速；dw為工件直徑。不同轉(zhuǎn)速下的切削速度見表2。鏜孔直徑為66～72 mm，切削深度為3 mm。當(dāng)轉(zhuǎn)速為60 r/min，進(jìn)給量為14 mm/min時(shí)，機(jī)床振動(dòng)劇烈、噪聲大，而且切削阻力大，當(dāng)走刀240 mm時(shí)刀片破碎，經(jīng)檢測(cè)加工表面精度不高。當(dāng)轉(zhuǎn)速降為50 r/min，進(jìn)給量為12 mm/min時(shí)，整體切削過程平穩(wěn)，排屑順暢，切屑為理想的大“C”型屑，如圖9所示，切削振動(dòng)小，并獲得較好的加工表面，最大鏜孔長(zhǎng)度為800 mm，刀具磨損形式為后刀面磨損，后刀面出現(xiàn)涂層剝落和小崩刃，刀具磨損情況見圖10。當(dāng)轉(zhuǎn)速為50 r/min，進(jìn)給量降為10 mm/min時(shí)，排屑順暢，機(jī)床振動(dòng)小，表面粗糙度值較小，不同切削參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果見表5。為提高加工效率，降低刀具成本，在實(shí)際生產(chǎn)中鏜孔推薦速度定為50 r/min，進(jìn)給量為10～12 mm/min。精加工時(shí)選擇較小的切削用量，以便減小切削力。

精鏜需要良好的加工精度和表面完整性，鏜孔過程的安全性和可靠性最為關(guān)鍵，應(yīng)保持切屑順利排出，防止中間換刀而導(dǎo)致加工精度和加工效率的下降。精鏜時(shí)切削轉(zhuǎn)速定為50 r/min，背吃刀量為0.3 mm，進(jìn)給速度分別為16 mm/min、14 mm/min、12 mm/min時(shí)，切屑均為連續(xù)的帶狀卷曲屑，如圖11所示，積屑纏繞刀具而使刀尖崩刃，刀具磨損劇烈，排屑困難，內(nèi)孔表面加工精度較低，達(dá)不到精鏜精度要求。當(dāng)切削轉(zhuǎn)速調(diào)為40 r/min，進(jìn)給速度為8 mm/min時(shí)，鏜削長(zhǎng)度為380 mm時(shí)，排屑順暢，刀具輕微破損。采用便攜式表面粗糙度儀檢測(cè)加工表面精度良好。不同切削參數(shù)下的粗糙度對(duì)比如圖12所示。

表4 鉆削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 鏜削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)鉆、鏜鎳基高溫合金Inconel718切削參數(shù)研究表明，切削參數(shù)的組合對(duì)切屑形狀的控制、加工精度和生產(chǎn)效率的提高有著重要意義。主要得到以下結(jié)論:

(1)利用YG類硬質(zhì)合金刀具鉆Inconel718時(shí)，從斷屑、排屑和刀具磨損角度考慮，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明切屑厚度為0.15～0.16 mm，控制轉(zhuǎn)速為60 r/min，進(jìn)給9～10 mm/min時(shí)取得較好加工效果，刀具壽命最長(zhǎng)，短而厚的寶塔狀螺旋屑排屑效果最好。

(2)結(jié)合難加工材料鏜孔加工切削參數(shù)優(yōu)化理論，Inconel718粗鏜孔加工時(shí)，在盡量提高加工效率下，推薦主軸鉆速為 50 r/min，進(jìn)給速度為 10～12 mm/min時(shí)，加工效果優(yōu)，“C”型切屑斷屑、排屑狀態(tài)良好，能滿足實(shí)際生產(chǎn)加工要求。

(3)精鏜加工Inconel718時(shí)，切削參數(shù)控制速度速為40 m/min，進(jìn)給速度為8 mm/min，鏜孔加工精度能滿足加工需要，但生產(chǎn)效率低、刀具成本高。