高温合金的钻孔加工

■湖北武汉航达航空科技发展有限公司 （430040） 梁 晖

高温合金分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金，是在760～1 500℃、一定应力条件下、长期工作的高温金属材料。具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的抗疲劳强度及断裂韧性等综合机械性能。广泛用于航天、航空、各种热处理设备。随着冶金技术的日益发展，高温合金的综合性能得以进一步提升，使得这种金属材料的加工难度不断增加。

图1 常用金属材料机械属性矢量图

1.高温合金的机械特性

高温合金的晶格组织细密，并含有许多高熔点合金元素 Fe、Ti、Cr、Ni、V、W和Mo等，这些合金元素与其他合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。而且有的元素与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高的金属与非金属化合物。使切削加工性能变差。相对45钢的切削性能，高温合金的切削性能只有其5%～20%。高温合金与常用、金属机械属性对比矢量如图1所示。各类高温合金的材料特点相比如附表所示。

综合高温合金的切削加工特点如下：

（1）切削力大：高温合金的塑性好、强度高。在较高温度时，仍保持高强度。加工时所需切削力是普通合金钢材料的2～5倍。

（2）切削热量高：高温合金的导热系数小，加工时热量集中在切削区，不易扩散。致使切削刀具迅速磨损。

（3）切削表面硬化严重：高温合金的硬度不高，但塑性好。加工时切削区的晶格扭曲严重，冷作硬化现象高。已加工表面硬度比基体硬度高50%～99%。

（4）刀具磨损快，使用效率低：高温合金中含有大量的硬度高、比重小、熔点高的金属间化合物及非金属化合物，构成硬质点。使刀具机械磨损加剧。由于切削力大、切削温度高。在高温高压下，刀具与被切削材料极易产生粘接而造成粘接磨损。此外，在高温下切削，材料与刀具间的金属扩散现象加大，产生扩散磨损。极端情况下，一些普通材料的刀具（如高速钢类刀具），甚至无法完整切削高温合金。

高温合金的材料特点对比表

（5）零件加工精度难以保证：由于前述几项原因，高温合金的表面加工完整性较难保证，精加工时常常在粗加工时产生的冷作硬化层中进行，有些刀具材料无法完成一个加工面的完整切削。特别是孔加工时的铰削加工，在加工时刀具本身对材料有挤压作用，极易发生粘刀、产生积屑瘤、刀具崩刃等现象。最终破坏加工表面。

2.加工高温合金的刀具材料选择

由于高温合金材料的难加工特性，使得选择适当的刀具材料来加工高温合金，至关重要。刀具材料的不同对高温合金的加工效率、表面加工质量有着明显效果。理论上加工高温合金首选陶瓷刀具，其次带涂层硬质合金刀具，再次无涂层硬质合金刀具，最次采用高速钢刀具。而各种刀具材料的选择要根据零件的加工要求、加工方式、工艺条件、加工环境、经济性等多项条件来决定。各种刀具材料的高温硬度与韧性的关系如图2所示。

由图2可知，金刚石、立方氮化硼、陶瓷类刀具硬度高，但韧性稍差。加工时易出现崩刃现象。可在连续无间断切削、开放式加工条件下优先选用。如外圆或端面的精加工车削。金属陶瓷、涂层硬质合金、细颗粒硬质合金（带涂层）、细颗粒硬质合金、无涂层硬质合金类硬度较高、韧性较好，适合在多种情况下加工高温合金。而高速钢及涂层高速钢韧性最好，但硬度最低。适合制作形状复杂的成型刀具。

3.加工高温合金刀具的几何角度选择

在相同的加工、冷却条件下刀具的几何角度不同。对切削加工的结果有着深远的影响。试验数据表明，在切削区域，切削过程中所产生的切削热约64%由切屑带走，18%导入工件，12%导入刀具，8%由周围介质（如切削液或空气）带走。因此，加快切屑的流速，使切削热快速流出切削区域，是降低刀具发生磨损的最有效措施。高温合金的导热性差，与刀具的粘接倾向大。材料中包含的金属间化合物及非金属化合物所形成的硬质点，加剧了刀具的磨损。同时也加大了切削热的产生。综合各项原因考虑，加工高温合金刀具应达到以下几点要求：

（1）在不影响刀具强度的情况下，尽量加大刀具前角γo。使切屑尽快流出切削区域，将热量尽快带离切削区域扩散。使切削区域温升降低，以减少刀具磨损发生。一般情况下γo≈10°不采用负倒棱。

图2

（2）尽可能的减小刀具后角αf。后角的减小，使刀具的强度加大、刀具楔角增大。增大了刀具散热能力、减小了刀具磨损发生。通常采用αf=6°～8°。因高温合金切削后的表面易反弹，与刀具后刀面产生强烈摩擦。产生高温，磨损刀具。宜在切削区外磨出第二后角，以减少摩擦生热。第二后角αf=10°～15°。

（3）粗加工时刃倾角λS=－5°～－10°，精加工时刃倾角λS=0°～3°。

（4）刀尖圆弧半径0.5～2mm，粗加工时取大值。

4.实践操作

生产工作中需要加工一种进口高温合金，牌号Inconel718。对应国家标准材料为GH4169。是一种镍基高温合金。工艺要求材料淬火处理，淬火后38～42HRC。需在工件上钻6个φ12.7mm孔，孔深40mm。由于批量小、工期紧。刀具采购周期长等条件限制，只能用W18Cr4V的普通高速钢钻头加工。

首先采用标准麻花钻加工。加工时，减小钻头横刃宽度，以减小钻削时的轴向力。并采用自动进给、冲水冷却。转速n＝63 r/min（线速度v＝2.5m/min）、进给量＝0.08mm。钻削深度＜5mm时，钻头已磨损严重，不能继续加工。采用转速n＝90r/min（线速度v＝3.6 m/min）、进给量=0.12mm，钻削深度＜5mm时，钻头已磨损严重，不能继续加工。两种钻头磨损的情况：转速n＝63r/min（线速度v＝2.5m/min）时，钻尖磨损较严重。转速n＝90 r/min（线速度v＝3.6 m/min）时主要是钻头外刃锋角处磨损。

钻头的线速度是以钻头外径来计算的，钻头中心的线速度理论为v=0 m/min。钻头主切削刃各点的切削速度从钻心到钻头外刃逐渐加大。钻头中心附近处因线速度太低，钻头材料与工件材料发生摩擦挤刮，产生高温并且不能及时排开、冷却，造成钻头中心迅速升温、磨损。钻头锋角的线速度最高，当线速度增高时，外刃锋角快速升温，因强度不足产生磨损。

以上的磨损产生都是线速度不当造成无法加工。但这两种线速度已经非常接近，不论调高或调低线速度，都会使另一种磨损情况加剧。所以，不能通过调整线速度来解决问题。当然，这是因为受刀具材料影响，如果采用硬质合金或高钒高速钢，这种情况就会得到改善。但是，目前只能用W18Cr4V的普通高速钢钻头来加工。

于是，尝试改变钻头的角度。针对钻头加工高温合金时的受力情况，合理采用刀具形状、刀具角度来解决问题。普通麻花钻头自身的结构决定了钻头的前角γo是由钻尖到外刃锋角逐渐加大的。钻尖处为0°甚至是负角度，锋角处最大，等于90°排屑槽的螺旋升角（普通麻花钻头的螺旋升角是60°，即90°－60°＝30°），锋角处前角最大，楔角最小，刀具实体最尖锐，刀体强度最低。热量最不易散发；钻心处线速度最低，前角为负，受到的轴向抗力最大，钻尖与工件材料摩擦最严重。这是钻头在两种非常接近的线速度产生不同位置磨损的主要原因。也是我们无法加工的矛盾点。

锋角处线速度最高，温升最快。而且，锋角处刀体强度最低，极易发生各种磨损，使刀具失去锋利。因此，通过改变锋角前角γo的大小、改变锋角的形状等方法来强化刀具，使刀具减少磨损、保持锋利。是提高刀具使用寿命的有效手段。强化后的外刃锋角可以承受相对较高的线速度。

在同样转速下，钻头的顶角2φ越大，所受到的轴向抗力越大。产生的热量多积聚在最前端的钻尖处，使钻尖温升加剧、磨损迅速。所以，钻尖处宜采用较小顶角，以减小轴向抗力，降低温升。但钻尖处采用较小顶角时，钻尖的强度减弱。钻头磨损加剧。为了强化钻尖强度，需要选取钻芯较厚的钻头，并不再刃磨钻尖前角，保留钻头横刃宽度。使钻尖实体加大，强度提高。以减少钻尖磨损。

综合上述原因考虑，我们设置出图3的群钻，来加工这种淬火镍基高温合金。其中，2φ＝160°～170°，2φ2＝70°～80°，γ＝10°，αf＝6°～8°，Ψ＝70°～75°，h＝2mm，b＝2～3mm，r＝1.2～1.5mm，αf′＝6°～8°。

使用这种钻头，采用转速n＝90r/min（线速度v＝3.6m/min）、进给量＝0.08mm，刃磨一次可以钻深40mm。即可以完成一个孔的加工。完成了原本无法完成的任务。

这种钻头的钻尖处顶角（第一顶角2φ2=70°～80°）采用小后角αf＝8°～10°，因此横刃斜角Ψ较大Ψ＝70°～75°。横刃实际宽度b＝2～3mm。同时，在主切削刃后大于约1mm处刃磨出第二后角αf′＝10°～15°。这样，横刃就由一条直线变为近似S形的折线，从侧面看形成一个大角度的顶角2φ′=175°，使得钻尖得到近一步强化。第二顶角2φ=160°～170°承担了主要的轴向抗力。

将钻头的两个锋角倒圆，形成r＝1.2～1.5mm的圆弧型锋角。并对两锋角的前角刃磨至γo＝10°（仅锋角处2mm，其余各处前角γo不变），极大程度强化了锋角，降低了锋角的磨损发生。使钻头外刃锋角在转速n＝90r/min（线速度v＝3.6m/min）时钻头外刃锋角处不易磨损，可以正常加工。

同样，在第二顶角2φ的主切削刃后大于约1mm处刃磨出第二后角αf′=10°～15°。以减少钻头与工件材料之间的摩擦。并将后刀面尾部约1/4处磨去。以增大钻头的容屑、容液空间。

图3 刃磨好的高温合金群钻

5.结语

加工时，由于第一顶角小，轴向抗力大大减少。使得切入顺利，由于保留了钻头横刃，使刀尖强度增强不易磨损。第二顶角承担了主要的轴向抗力，但第二顶角的主切削刃偏离钻心，有一定的线速度。就有了切削力，不会有挤刮产生。切削升温就得到了控制。

相比标准麻花钻，这种高温合金群钻保留了横刃宽度，采用小顶角的方式有效解决了钻头中心线速度低，轴向抗力大，温升快、钻尖易磨损的问题。圆弧形的外刃锋角，并配合10°的前角γo，使线速度高的部分得以最大的强化。钻头的使用寿命得到成倍的提高。

加工实践证明，钻削加工过程中，钻头与被加工材料之间的摩擦使钻头与被加工材料快速升温。因此，采用油冷却比采用水冷却效果要好。油的冷却效果比水差，但温的润滑作用使切削升温得到抑制。