彭 杰 鮑 林 姚 波 高 源* 王永國(guó)

（1.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710100；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 201900）

1 研究背景

目前，難加工材料尤其是去除高溫合金材料的孔加工成為一大技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)刀具壽命具有極大考驗(yàn)，尤其是多孔帶倒角難加工材料零件[1-3]?，F(xiàn)有的刀具在高溫合金材料零件上加工700+個(gè)孔并帶倒角時(shí)，因?qū)妆谟兄^高的表面質(zhì)量要求，在倒角處往往存在毛刺殘留，需人工手動(dòng)去除毛刺，費(fèi)時(shí)又耗力。此外，鉆孔和倒角為兩道工序，增加了工時(shí)。刀具的加工參數(shù)偏低，且刀具壽命最多可加工一個(gè)工件。在保證加工高溫合金材料表面質(zhì)量的前提下，努力提升加工效率和提高刀具耐用性成為當(dāng)下的技術(shù)難點(diǎn)。

加工鎳基高溫合金的刀具材料一般應(yīng)滿足如下要求[4]：穩(wěn)定性好、抗氧化、耐高溫以及抗沖擊能力強(qiáng)；硬度和耐磨性好，刀具材料硬度必須比零件材料硬度高，一般在60 HRC以上；有足夠的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊性；耐熱性好，高溫下保持一定的強(qiáng)度、韌性、抗黏結(jié)以及擴(kuò)散等性能；具有良好的熱處理性能、可磨削性能、鍛造性能及高溫塑性變形性能。

不適宜的刀具開發(fā)會(huì)導(dǎo)致工序煩瑣，勢(shì)必會(huì)拉長(zhǎng)生產(chǎn)周期。對(duì)零件加工而言，穩(wěn)定的生產(chǎn)質(zhì)量、合適的成本消耗、不斷提升的生產(chǎn)效率是研究者一直追求的目標(biāo)。

2 工藝優(yōu)化方案

2.1 復(fù)合刀具的開發(fā)

零件的生產(chǎn)特點(diǎn)是球面加工孔需要準(zhǔn)確且便捷地確定孔的圓心，而采用鉆孔和倒角加工可以開發(fā)新型鉆倒角復(fù)合刀具[5]。考慮加工零件為高溫合金難加工材料，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)刀具基體選材、刀具幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及刀具系統(tǒng)的整體剛性和穩(wěn)定性。經(jīng)反復(fù)研究零件的特性及其加工工藝，最終刀具材料選擇硬質(zhì)合金，刃口進(jìn)行鈍化處理，刀具整體涂層，刀具鋒角γ取140°，可使刀具有效散熱，提高刀具耐用度，保證鉆頭強(qiáng)度，增強(qiáng)刀具的抗扭矩能力。長(zhǎng)徑比B/ΦD設(shè)計(jì)為11.7，配合熱縮刀柄，可保證刀具系統(tǒng)的剛性。設(shè)計(jì)直角刃口2β，可實(shí)現(xiàn)鉆孔倒角一次加工完成。刀具內(nèi)部設(shè)置內(nèi)冷通道，可有效降低切削過程的切削熱，提升刀具壽命。刀具結(jié)構(gòu)與零件加工示意圖如圖1所示。其中：A為切削刃有效長(zhǎng)度；B為刀具長(zhǎng)度；γ為鉆尖角；Φd為鉆頭直徑；ΦD為刀桿直徑；β為倒棱角；α為倒角；ΦD1為倒角口徑；ΦD2為孔徑。

圖1 刀具結(jié)構(gòu)與零件加工示意圖

2.2 工藝優(yōu)化方案

零件原工藝流程為“點(diǎn)鉆定心→鉆孔→倒角→鉸孔”，共需加工721個(gè)直徑為D70+0.02mm的孔，鉆孔深度和鉸孔深度均為9.7 mm（實(shí)際壁厚為6.0 mm），倒角為1×45°通孔。鉆孔和鉸孔切削參數(shù)均為轉(zhuǎn)速300 r·min-1，進(jìn)給速度為15 r·min-1。按原工藝鉆孔和倒角時(shí)間，共需約30 h（含輔助時(shí)間），鉸孔時(shí)間約為12 h。刀具采用筒夾式刀柄裝卡，加工前鉆頭的跳動(dòng)為Φ0.003 mm，鉸刀跳動(dòng)為Φ0.003 mm。

開發(fā)鉆倒角復(fù)合刀具后，將該零件加工工藝優(yōu)化為“鉆倒角→鉸孔”。原來需要4把刀具完成加工，現(xiàn)在僅需2把刀具即可完成加工。刀具配套熱縮刀柄，實(shí)驗(yàn)鉆頭的跳動(dòng)為Φ0.001 mm，可提高刀具系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)帶內(nèi)冷通道的鉆倒角刀和鉸刀，可提升刀具耐用度。

2.3 試驗(yàn)

鉆倒角復(fù)合刀試驗(yàn)記錄表如表1所示，其中S為轉(zhuǎn)速，f為進(jìn)給速度。

表1 鉆倒角復(fù)合刀試驗(yàn)記錄表

試驗(yàn)所用設(shè)備為瑞士MIKRON HPM 1150U五軸鉆銑加工中心，采用鉆倒角復(fù)合刀共加工16環(huán)內(nèi)孔，共計(jì)721個(gè)孔。試驗(yàn)3組切削參數(shù)、轉(zhuǎn)速和進(jìn)給都大于原工藝，鉆孔尺寸在6.825～6.835 mm，較為穩(wěn)定。測(cè)試鉆倒角復(fù)合刀的壽命時(shí)，采用轉(zhuǎn)速為453 r·min-1，進(jìn)給速度為34 mm·r-1（是原來工藝的切削參數(shù)中轉(zhuǎn)速的3倍，進(jìn)給速度的2倍有余），連續(xù)鉆孔631個(gè)。試驗(yàn)結(jié)束檢測(cè)刀具刀刃完好，可繼續(xù)鉆削。

鉸刀鉸孔共721個(gè)，所鉸孔孔徑均在7.014～ 7.020 mm，鉸刀刃口處涂層有脫落。相比于原工藝，轉(zhuǎn)速為原來的1.5倍，進(jìn)給速度為原來的2.3倍，加工時(shí)間由原來的42 h降至現(xiàn)在的21 h，且孔壁質(zhì)量較好，可見本次試刀達(dá)到了工藝要求。試驗(yàn)用鉆倒角復(fù)合刀和鉸刀如圖2所示。需要注意，兩者均使用熱縮刀柄。

圖2 試驗(yàn)用鉆倒角復(fù)合刀和鉸刀

2.4 方案分析

零件加工工藝通過開發(fā)鉆倒角復(fù)合刀具，將“點(diǎn)鉆定心→鉆孔→倒角→鉸孔”4道工序優(yōu)化為“鉆倒角→鉸孔”，減少了更換刀具次數(shù)，簡(jiǎn)化了加工工藝，并配合熱縮刀柄提升了刀具系統(tǒng)的剛性，使加工過程更穩(wěn)定，零件尺寸穩(wěn)定性更好。鉆倒角和鉸刀均帶有內(nèi)冷通道，對(duì)切削過程中降低切削熱和處理斷屑具有積極作用。刀具采用先進(jìn)制造技術(shù)，對(duì)切削刃進(jìn)行鈍化處理，并刷有TiAlN（氮化鋁鈦）涂層，可大幅提升刀具耐用度。試驗(yàn)過程中探索了適宜的切削參數(shù)，有利于優(yōu)化零件整體的加工工藝。該零件工藝優(yōu)化方案已經(jīng)完成3個(gè)產(chǎn)品件的加工，均滿足工藝要求，驗(yàn)證了工藝方案的可靠性和穩(wěn)定性。

針對(duì)鎳基高溫合金孔加工，方案從刀具基體的選材、刀具幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、切削刃的鈍化處理、刀具涂層、內(nèi)冷通道、刀具系統(tǒng)穩(wěn)定性、切削參數(shù)優(yōu)化以及成本核算等方面進(jìn)行了全面分析，可為后續(xù)難加工材料的孔加工及其他方式的材料去除提供理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

通過優(yōu)化鉆倒角復(fù)合刀具的工藝，零件的表面質(zhì)量、尺寸穩(wěn)定性以及加工效率得以提升，并將新的工藝方案應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)加工，取得了良好的示范效應(yīng)。

（1）將零件加工工藝中“點(diǎn)鉆定心→鉆孔→倒角→鉸孔”4道工序優(yōu)化為“鉆倒角→鉸孔”，可減少更換刀具次數(shù)，簡(jiǎn)化加工工藝。

（2）對(duì)于孔加工，刀具系統(tǒng)中采用熱縮刀柄有利于提升整體剛性，使得刀具在實(shí)際加工過程中更穩(wěn)定，即零件加工部位尺寸穩(wěn)定性更好、表面質(zhì)量更高。

（3）通過工藝優(yōu)化和切削參數(shù)優(yōu)化，單個(gè)零件的生產(chǎn)效率可提升近50%。