王宙彪,周俊

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

Inconel718 是一種高強(qiáng)度、耐熱性強(qiáng)的鎳基合金，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和制造中發(fā)揮著重要作用[1]。其在較高的溫度下有優(yōu)良的機(jī)械性能，如高疲勞強(qiáng)度和良好的耐蝕性，但受到加工硬化和高溫拉伸強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致常規(guī)切削時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，工件表面出現(xiàn)損傷[2-3]。鉆削作為一種主要的孔加工工藝，在航空航天工業(yè)中占有重要地位，并且在Inconel718 的實(shí)際加工中，鉆削占總加工量的40%～60%[4]，因此對(duì)Inconel718 的鉆削過程開展研究具有十分重要的意義。

Khanna 等[5]對(duì)低溫條件下鉆削Inconel718 的刀具磨損和孔質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與干鉆削的結(jié)果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，低溫環(huán)境下鉆削Inconel718 的扭矩比干鉆削降低了30%、刀具壽命提高了87.5%、表面粗糙度降低了47%；Liu 等[6]以乳化液為切削液對(duì)Inconel718 進(jìn)行高速鉆削，試驗(yàn)表明，軸向力隨著鉆削速度與進(jìn)給量的加大呈增高趨勢(shì)，切削溫度與進(jìn)給速度呈正相關(guān)，與切削速度呈負(fù)相關(guān)；賈民飛等[7]對(duì)Inconel718 小孔鉆削的軸向力和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，進(jìn)給量對(duì)軸向力和進(jìn)給量的影響最大。以上研究都基于常規(guī)加工方式。

超聲振動(dòng)鉆削是一種新型加工技術(shù)，通過改變刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)變速切削，可以有效減小加工中的軸向力、鉆削溫度和鉆頭磨損。田英健等[8]對(duì)鎳基高溫合金GH4169（對(duì)應(yīng)牌號(hào)Inconel718）施加20 kHz 的軸向超聲振動(dòng)進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，結(jié)果表明，超聲振動(dòng)鉆削能顯著提高成孔質(zhì)量并減少工件表面的毛刺。Chen 等[9]通過試驗(yàn)表明，在AISI4340 微孔鉆削中，超聲振動(dòng)鉆削比普通鉆削的軸向力降低了20.1%～30.05%，并且鉆頭切削刃更加完整，孔壁質(zhì)量更高。王蕾等[10]利用ABAQUS 軟件對(duì)鈦合金材料進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆削有限元仿真分析以及試驗(yàn)研究，對(duì)比普通鉆削，超聲振動(dòng)鉆削軸向力降低了21%，孔壁毛刺更少。

以上研究成果對(duì)本研究在鉆削參數(shù)選取、引入階梯鉆超聲振動(dòng)鉆削等方面提供了參考。階梯鉆是在普通麻花鉆上經(jīng)幾何改進(jìn)的新式鉆頭，可以通過較小的第1 階梯直徑進(jìn)行鉆孔，較為鋒利的第2 切削刃進(jìn)行二次擴(kuò)孔，并能有效降低鉆削中的軸向力與溫度。本文利用三維有限元仿真軟件DEFORM-3D，對(duì)階梯鉆超聲振動(dòng)鉆削（UAD）Inconel718 的過程進(jìn)行仿真，并與階梯鉆和麻花鉆常規(guī)鉆削（CD）進(jìn)行對(duì)比，研究加工過程中軸向力、切屑形態(tài)及孔壁質(zhì)量。

1 超聲振動(dòng)鉆削運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

傳統(tǒng)鉆削中，鉆頭在繞主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還會(huì)沿著切削方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。軸向超聲振動(dòng)鉆削通過疊加在主軸直線運(yùn)動(dòng)方向的周期性超聲振動(dòng)信號(hào)，改變了刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的斷續(xù)切削。圖1 為軸向超聲振動(dòng)鉆削原理圖。

圖1 軸向超聲振動(dòng)鉆削原理圖Fig.1 Schematic diagram of axial ultrasonic vibration drilling

為了更直觀表達(dá)鉆削中刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)鉆頭主切削刃外緣某點(diǎn)的坐標(biāo)為（X，Y，Z），該點(diǎn)在普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削過程中的軌跡方程分別為率 Hz；A——超聲信號(hào)振幅，mm。

當(dāng)R=2.5 mm，fr=0.2 mm/r，f=30 000 Hz，A=0.005 mm，n=1 000 r/min 時(shí)，利用MATLAB 分別繪制鉆頭切削刃在普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削下的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2 所示。

圖2 鉆頭切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.2 Track of bit cutting edge movement

由圖2 可以看出，疊加超聲振動(dòng)后，刀具的三維運(yùn)動(dòng)軌跡不再為一條較平滑的螺旋曲線，而變成在豎直方向呈周期性振蕩，鉆頭的軸向振動(dòng)使刀具與工件間歇接觸，改變了切削厚度并且減小刀具與工件間的摩擦。

2 階梯鉆超聲振動(dòng)鉆削仿真

式中：R——刀具半徑，mm；n——主軸轉(zhuǎn)速，r/s；t——時(shí)間，s；fr——進(jìn)給量，mm/r；f——振動(dòng)頻

2.1 階梯鉆模型及參數(shù)

作為一種幾何改進(jìn)型刀具，階梯鉆具有良好的切削性能，可以提高鉆削質(zhì)量、降低刀具磨損。本文以普通麻花鉆為基礎(chǔ)，通過建模軟件SolidWorks對(duì)階梯鉆進(jìn)行設(shè)計(jì)，其實(shí)體模型如圖3 所示。最終將建立的鉆頭模型保存為DEFORM-3D 可以識(shí)別的STL 格式，并導(dǎo)入進(jìn)去，其參數(shù)如表1 所示。

表1 刀具幾何參數(shù)Tab.1 Tool geometry parameters

圖3 階梯鉆模型圖Fig.3 Step drill model diagram

2.2 材料屬性及網(wǎng)格劃分

為提高仿真精度和效率，本次仿真只保留刀具參與鉆削的部分，去除刀柄及其它部位。刀具材料為WC 硬質(zhì)合金，牌號(hào)為YG8，設(shè)置為剛性體類型。工件設(shè)置為直徑D=15 mm、高H=3 mm的塑性圓柱體，材料為Inconel718。刀具和工件材料參數(shù)如表2所示。

表2 刀具和工件材料參數(shù)Tab.2 Tool and workpiece material parameters

DEFORM 擁有自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和局部網(wǎng)格細(xì)化功能，使刀具和工件參與切削部分網(wǎng)格劃分較為密集，未參與鉆削部分網(wǎng)格較為稀疏，可以減小單元的過度變形，提高了計(jì)算速度和仿真精度。仿真中刀具和工件均采用相對(duì)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，鉆頭網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為30 000，網(wǎng)格最大尺寸與最小尺寸的比例設(shè)置為4；工件網(wǎng)格數(shù)目為40 000，尺寸比例設(shè)置為7。

2.3 有限元本構(gòu)模型及分離準(zhǔn)則

高溫合金Inconel718 加工過程涉及高應(yīng)變率及材料的較大變形，因此本仿真選取在金屬切削領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)的Johnson-Cook 本構(gòu)模型，其表達(dá)式為

式中：σeq——等效應(yīng)力；εp——等效塑性應(yīng)變；——等效塑性應(yīng)變率；——參考應(yīng)變率；T——模型當(dāng)前溫度；Tr——室溫；Tm——材料熔點(diǎn)。A、B、C、m、n——材料常數(shù)，數(shù)值如表3 所示。

表3 Inconel718 的J-C 參數(shù)Tab.3 J-C parameters of Inconel718

材料分離準(zhǔn)則選取Normalized Cockcroft &Latham 斷裂準(zhǔn)則，通過比較工件材料的破壞值與分離臨界值實(shí)現(xiàn)單元斷裂。其表達(dá)式為

式中：Ci——工件材料單軸拉伸臨界破壞值；εf——材料破壞時(shí)的應(yīng)變值；——材料有效應(yīng)變；σm——材料最大應(yīng)力。

2.4 邊界條件及其它仿真設(shè)置

仿真中將刀具設(shè)置為主動(dòng)件，鉆頭以Z軸為中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并沿負(fù)方向進(jìn)給，工件設(shè)置為被動(dòng)件，并將其X、Y、Z方向速度設(shè)置為0 以限制運(yùn)動(dòng)。仿真初始環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，將刀具與工件的所有面都設(shè)置為可與外界進(jìn)行傳熱，對(duì)流系數(shù)設(shè)為0.02 N/(s·mm·℃)，鉆頭與工件的熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為45 N/(s·mm·℃)。

DEFORM-3D 程序的停止參數(shù)決定仿真何時(shí)停止，為保證工件形成通孔，選擇鉆頭在進(jìn)給方向的位移量作為停止參數(shù)，設(shè)置為6 mm，即鉆削深度達(dá)到6 mm 時(shí)仿真自動(dòng)終止，步長(zhǎng)設(shè)置為0.000 2 s，每25 步保存一次。圖4 為建立完畢的仿真模型。

圖4 階梯鉆及工件仿真模型Fig.4 Step drill and workpiece simulation model

3 仿真結(jié)果分析

3.1 軸向力

在金屬鉆削加工中，過大的軸向力會(huì)使鉆削區(qū)域溫度過高，加速鉆頭的磨損從而影響刀具的使用壽命。本仿真研究在進(jìn)給量fr=0.2 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min 下，麻花鉆與階梯鉆普通鉆削（CD）以及階梯鉆超聲振動(dòng)鉆削（UAD）Inconel718 時(shí)穩(wěn)定鉆削階段軸向力的大小，超聲振動(dòng)鉆削頻率f=30 000 Hz,振幅A=0.005 mm。圖5 為仿真中軸向力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。

圖5 軸向力隨時(shí)間的變化Fig.5 Axial force as a function of time

由圖5 可知，麻花鉆與階梯鉆普通鉆削時(shí)軸向力均在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，隨后達(dá)到穩(wěn)定鉆削階段。階梯鉆超聲振動(dòng)鉆削時(shí)由于鉆頭與工件的斷續(xù)接觸，其軸向力隨時(shí)間呈周期性變化趨勢(shì)。在鉆削穩(wěn)定階段，麻花鉆（CD）平均軸向力為751.6 N，階梯鉆（CD）平均軸向力為681.7 N，對(duì)比麻花鉆（CD）降低了9.4%，階梯鉆超聲振動(dòng)鉆削下（UAD）平均鉆削力為326.5 N，對(duì)比麻花鉆（CD）降低了56%。

3.2 切屑形態(tài)分析

不同加工方式會(huì)產(chǎn)生形態(tài)各異的切屑，切屑不僅能反映出加工時(shí)鉆頭與材料的受力情況，還會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響[11]。通過DEFORM-3D 的后處理界面，可以直觀地看到仿真中切屑的產(chǎn)生及其形狀。

圖6 為仿真中不同鉆頭及加工方式下切屑的形態(tài)，可以看出麻花鉆（CD）和階梯鉆（CD）產(chǎn)生的切屑均為螺旋狀，這種切屑不易斷裂，隨著鉆削的深入會(huì)纏繞在刀具上，與孔壁及鉆頭產(chǎn)生摩擦，不僅會(huì)影響鉆頭的耐用度及壽命，并且還會(huì)降低孔壁的加工質(zhì)量及精度。而在超聲振動(dòng)鉆削下階梯鉆（UAD）產(chǎn)生的切屑均為片狀，伴隨著刀具的運(yùn)動(dòng)排出，避免切屑與孔壁的刮擦，提高了孔壁的加工質(zhì)量。

圖6 不同加工狀況下的切屑形態(tài)Fig.6 Chip morphology under different processing conditions

3.3 孔壁質(zhì)量分析

良好的孔壁質(zhì)量可以保證工件的裝配精度，提高零部件的使用壽命。DEFORM 用能量損傷值表示孔壁質(zhì)量，孔壁的能量損失值越大，表明孔的加工質(zhì)量越差，反之孔壁質(zhì)量較高。

圖7 為仿真結(jié)束時(shí)不同孔的能量損傷圖，其中麻花鉆（CD）孔壁能量損傷值最高，達(dá)到7 950，階梯鉆（CD）為6 400，階梯鉆（UAD）值為4 560。對(duì)比麻花鉆（CD），階梯鉆（CD）和階梯鉆（UAD）能量損傷值分別降低了19.5%和42.7%。這說(shuō)明階梯鉆的鉆削性能較麻花鉆有所提升，且在超聲振動(dòng)鉆削下，能大幅度提高孔壁的加工質(zhì)量。

圖7 不同孔壁能量損傷圖Fig.7 Energy damage diagram of different hole walls

4 結(jié)論

（1）在Inconel718 鉆削仿真中，對(duì)比普通麻花鉆，階梯鉆軸向力降低了9.4%，而在超聲振動(dòng)鉆削下階梯鉆軸向力則降低了56%；

（2）麻花鉆和階梯鉆普通鉆削下產(chǎn)生的切屑均為螺旋帶狀且不容易斷裂，影響加工質(zhì)量和效率，而階梯鉆在超聲振動(dòng)鉆削下產(chǎn)生切屑均為片狀，并隨著刀具運(yùn)動(dòng)及時(shí)排出；

（3）階梯鉆常規(guī)和超聲振動(dòng)鉆削下，孔壁能量損傷對(duì)比麻花鉆分別降低了19.5%和42.7%，這表明階梯鉆在耦合超聲振動(dòng)鉆削后，能大幅提升孔壁的加工質(zhì)量。