低频振动辅助镍基高温合金深孔钻削动力学特性及孔质量演变研究

《Journal of Manufacturing Processes》：Investigations on the dynamic characteristics and hole quality evolution during the low-frequency vibration-assisted deep hole drilling nickel-based superalloys

　　

# 摘要

深孔钻削（DHD）在航空航天行业中对于镍基高温合金零部件孔隙结构的制造起着关键作用。低频振动辅助钻削（LFVAD）能够实现有效的断屑，以及较低的轴向力和较高的表面质量。然而，在DHD中，尤其是在LFVAD条件下，加工动态特性及相关的孔质量演化仍不明确。基于先导孔约束和孔壁支撑的考虑，建立了深孔螺旋钻头DHD过程的耦合径向刚度模型。耦合径向刚度在入口阶段波动显著，随后随钻孔深度增加而增大，在达到全刃长后基本保持恒定。此外，进行了一系列DHD实验。首先，传统钻削（CD）的轴向力频谱主要集中在0 Hz，而LFVAD中同时存在基频分量（0 Hz）和低频振动分量（31.9 Hz）。加工方法改变了钻削过程中的能量分布。其次，LFVAD的加速度信号在整个DHD过程中保持相对稳定。LFVAD的振动信号曲线具有明显的脉冲特征，与施加的振动频率一致，而CD则包含间歇性信号突变。最后，LFVAD固有的较低径向力有利于提高孔径精度，这通过DHD过程的两自由度动态模型得到了阐明。耦合径向刚度模型彻底阐明了孔表面质量沿钻孔深度的演化规律。与相同钻削条件下的CD相比，LFVAD能够实现更高的表面质量，最大刀痕深度和Ra值分别降低了55.9%和27.8%。本研究的发现促进了人们对LFVAD条件下DHD过程的深入理解，为镍基高温合金的DHD提供了理论基础和实用方法。

# 引言

高超声速飞行器具有高飞行速度、强穿透能力、长续航时间和高机动性等特点，已被世界各国开发为关键战略装备[1]。然而，更高的飞行速度和更长的续航时间导致严重的气动加热问题，迫切需要高强度、耐高温材料来满足其发展要求[2]。镍基高温合金具有多项优势，包括高服役温度、优异的抗氧化性、稳定的微观组织和出色的耐腐蚀性[3]，被认为是下一代高超声速飞行器热防护结构的首选候选材料[4]。目前，需要大量深孔来满足装配要求。鉴于高温高压的服役条件，关键部件对深孔结构零件的材料性能和加工质量提出了极高的标准[5]。值得注意的是，镍基高温合金的高强度、高硬度和低导热性导致其切削性能差，属于典型的难加工材料。DHD系统通常表现出刚度较弱，随后导致系统不稳定。镍基高温合金的DHD面临着独特的挑战，包括钻削力大、加工质量不佳、排屑困难、刀具振动/偏摆和刀具快速磨损，这突显了对镍基高温合金DHD机理进行深入研究的迫切需求。

DHD的主要方法包括深孔螺旋钻钻削[6]、枪钻[7]和镗铰联合（BTA）钻削[8]。DHD方法的选择取决于加工要求、工艺适用性和制造成本等多种因素的组合。为解决DHD机理相关的挑战，众多学者开展了大量研究，主要聚焦于以下两个关键方面：动态特性和加工质量。

深孔钻头的大长径比使其轴系动力学在确定钻削质量方面具有关键意义，而全面理解动态行为对钻削操作至关重要[9]。Forestier等[10]提出了高速主轴-钻-刀具系统的有限元模型，可用于评估动态性能并确定能够维持稳定自激轴向振动的适当切削条件。Lew等[11]采用基于能量的方法建立了带冷却液的多跨旋转枪钻轴动态分析模型。观察到较高的冷却液压力（2000 psi）与增大的主轴转速（1600 r/min）相结合有助于提高钻孔的直度，使偏差控制在工业公差范围内。Roukema等[12]建立了严格的时域钻削模型，考虑了刀具几何形状、所有方向的振动和运动学关系，便于研究结构动力学参数对孔质量的影响。Kong等[13]通过能够识别系统周期性行为和稳定旋转区域的数学方法研究了多跨支撑旋转钻轴的非线性动力学。通过开发深孔钻削工具的实时模态振动抑制系统，在BTA钻削中实现了孔质量的显著改善[14]。Zhang等[15]建立了考虑复杂变形效应的动态特征方程，结果表明增大等效刚度和等效剪切模量可增强系统稳定性。针对膛线标记的产生机理，Matsuzaki等[16]提出了包含镗杆支撑条件的解析模型，并设计了一种带有集成辅助导向垫的新型刀具以提高圆度。

加工质量对制造部件的功能性能和长期耐久性具有重要影响。大长径比加工质量与刀具性能、加工参数、材料特性和系统稳定性密切相关。Khan等[17]得出结论，在AISI 1045的DHD中，采用5 mm啄削深度可获得更好的表面光洁度，并减少直径、圆度和圆柱度误差，这归因于刀具与工件重新接触的周期较少。Pizzi等[18]研究了纯镁精密深孔微钻削，结果表明，每齿进给量fz = 0.0045 mm/tooth时可获得短毛刺和更好的孔圆柱度。Neo等[19]开发了PCBN枪钻以提高孔表面质量，同时减少钻削力和刀具磨损。Ganesh等[20]对不同冷却环境下的DHD性能进行了比较研究，涵盖液态二氧化碳（LCO?）、充分冷却和液态氮（LN?），结果表明LN?冷却条件下钻削性能最佳。Zhang等[21]优化了刀具材料并设计了新型BTA镗削工具结构以适应Inconel 718的镗削。新设计的BTA镗削工具具有增强稳定性和振动阻尼功能，在900 mm钻孔深度下可实现0.016 mm的直度。同时，采用三个导向垫的布置增强了刀具动态刚度，有利于减少孔直度误差、孔径跳动和表面粗糙度[22]。Li等[23], [24]研究了由钻削导向垫引起的孔表面完整性演化。Wolf等[25], [26]开发了断续加工策略，以改善冷却液流动并降低切屑边缘温度，用于Inconel 718的困难钻削。通过结合有限元法（FEM）和计算流体力学（CFD），该团队模拟了切屑形成过程并预测了冷却液流动引起的散热行为。

此外，Dang等[27], [28]实验研究了不同主轴速度和进给速率下直接金属激光烧结材料的切削性能。微小切屑碎片粘附在前刀面上，而在后刀面和切削刃上出现了明显的磨粒磨损和微崩刃。刀具磨损的逐步加剧进一步促进了明显变质层的形成。Zhang等[29]探索了粉末冶金高温合金FGH 4097在不同切削速度下的刀具磨损行为和表面加工完整性，结果表明表面粗糙度随切削速度和刀具磨损严重程度的升高而增加。在50 m/min的低切削速度下，刀具上发现严重的刃口崩损，伴随后刀面上的粘附磨损。相比之下，100 m/min的较高切削速度显著加剧了刀具退化。Zou等[30]证明磨粒磨损主要集中在主切削刃和副切削刃以及钻头角上，而切屑粘附主要分布在修光刃上。强烈的机械磨削暴露了钻削后刀面上的碳化物基体，进一步导致刀具表面坑缺陷的形成。Dang等[31]指出，半封闭钻削环境导致在加工CFRP/金属共固化复合材料过程中严重热积聚，导致底部材料层温度分布高于上层。然而，据作者所知，文献中缺乏对Inconel 718 DHD性能的综合分析，特别是动态特性和孔质量演化。这一空白未能有效为Inconel 718 DHD的更广泛应用提供理论指导。

由于排屑路径横截面积有限，断屑和排屑一直是DHD的关键挑战。对于难加工材料的DHD过程尤其关键。这类材料的高强度、韧性和塑性使切屑难以断裂，经常导致切屑堵塞和刀具断裂，直接损害钻削效率和工件质量。低频振动辅助钻削（LFVAD）由于其相对较大振幅带来的几何断屑优势，引起了研究人员的极大关注。该机制有效地将长而连续的切屑转化为小而分散的切屑，从而大大促进了排屑。因此，切屑堵塞和刀具断裂的风险得到了显著缓解，降低了因刀具断裂导致的钻削工具和工件成本，具有 promising 的工程应用价值。近年来，众多研究采用LFVAD来提升DHD性能。Zhang等[32]研究了高强钢的低频振动辅助枪钻削，得出可降低30%表面粗糙度的结论。Guba等[33]进行了振动辅助DHD AlMgSi0.5铝的实验，结论是这种方法有效抑制了积屑瘤和材料粘附的形成，能够获得小而分散的切屑，从而获得更好的孔表面质量。Li等[34]得出结论，表面粗糙度与振动幅度呈负相关，而振动频率的影响相对较弱。Shi等[35]报道了由于换热条件优化，LFVAD可以产生显著冷却效果，实现外刃、中刃和内刃温度分别降低18.1%、21.1%和17.8%。Li等[36]得出结论，LFVAD显著增强了钻削稳定性并拓宽了小直径单唇刀具可用参数范围。

上述研究发现表明，研究动态特性对于深入了解DHD过程至关重要。LFVAD的应用可能为降低镍基高温合金Inconel 718 DHD的轴向力、提高孔质量和优化排屑条件提供有前景的方法。然而，低频振动的引入改变了DHD系统的固有动态特性，这在以前的文献中很少被提及。因此，低频振动对动态特性和加工质量的影响仍需要进一步的系统研究。由于低成本、操作简单和广泛的材料适用性，采用深孔螺旋钻的传统深孔钻削作为高度实用的技术在工业生产中得到了广泛应用[37]。为解决上述问题，第2节提出了深孔螺旋钻DHD过程的耦合径向刚度模型。第3节详细介绍了实验装置，包括刀具和工件，以及实验设计。第4节详细分析了动态特性、加工精度和表面完整性。第5节总结了主要结论。

# 章节片段

## LFVAD运动加速度分析

LFVAD中刀具运动主要包括绕主轴的旋转运动、轴向进给运动和叠加的轴向振动。

深孔螺旋槽钻头相对于工件在X、Y和Z方向的瞬时坐标表示为：
x = r sin(2πnt/60)
y = r cos(2πnt/60)
Z_LFVAD = Z_f + Z_v = ?frn/60 · t + A sin(2πft) = ?frn/60 · t + A sin(2πnω_f/60 · t)
其中，A、r、f、n和t分别表示振动幅度、标记点的旋转半径、振动频率、主轴转速和钻孔时间。

实验装置

实验装置安装在三轴数控加工中心上，用于评估DHD（钻削加工）性能，如图4所示。对于LFVAD（低频振动钻削），使用Mitis PG8040系列振动刀柄产生正弦振荡，可调轴向幅度为250 μm。使用以1000 Hz采样频率运行的动态力信号记录系统实时监控推力。该系统由四分量压电测力仪（Kistler 9272）和一个...组成。

结果与讨论

通过FFT获得的振动钻削在频域中的动态特性分别在第4.1节DHD过程中推力信号分析和第4.2节DHD过程中加速度信号分析中给出。不同加工参数下CD和LFVAD的孔质量评估在第4.3节中给出。

结论

本研究进行了全面详细的研究，通过考虑动态特性来调查Inconel 718 DHD中涉及的钻削机制。因此，本文提出了一种耦合径向刚度模型。进行了一系列DHD实验，以揭示CD和LFVAD的动态特性和孔质量演变。从所呈现的工作中，可以得出以下结论：

(1) 钻削系统沿钻孔深度的耦合径向刚度为...

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利益冲突声明
作者声明不存在任何可能被看作影响本文研究报告研究的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究得到江苏省研究生研究与实践创新计划（编号：KYCX24_0564）和中国商用飞机有限责任公司—南京航空航天大学大型飞机研究院创新研究基金（编号：NN2025002）的经费支持。

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