Ti6Al4V鈦合金螺旋制孔粗糙度的仿真與試驗(yàn)研究

單以才，何寧，李亮，章婷

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210023;2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016;3.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京211167)

0 前言

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度大、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，被廣泛用于新一代飛機(jī)骨架、蒙皮、隔框和起落架等構(gòu)件［1］。隨著鈦合金在航空構(gòu)件材料的應(yīng)用比例不斷提高，其二次制孔的質(zhì)量與效率顯得尤為重要。鈦合金材料具有導(dǎo)熱系數(shù)小，彈性恢復(fù)大，冷硬、粘結(jié)、擴(kuò)散現(xiàn)象嚴(yán)重，極易氧化等特性，以傳統(tǒng)鉆削加工此類構(gòu)件，極易導(dǎo)致鉆孔刀具的急劇磨損，屬于典型的難加工材料［2-3］。鈦合金構(gòu)件的連接孔多用于安裝鉚釘或螺栓，為保證構(gòu)件互連的強(qiáng)度，對于孔壁質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求，如孔壁粗糙度。作為已加工表面，孔壁形成過程及加工質(zhì)量與成孔的加工機(jī)理有著密切聯(lián)系。

螺旋銑孔是近些年來航空制造領(lǐng)域新興的一種制孔工藝，因其具有軸孔軸向力小、刀具磨損輕、一次成孔精度高等特點(diǎn)，在難加工材料制孔方面有著傳統(tǒng)鉆孔無法比擬的優(yōu)勢［4］。制孔時，螺旋銑孔刀具邊自轉(zhuǎn)邊公轉(zhuǎn)，其加工孔壁的微觀形貌顯然不同于傳統(tǒng)鉆孔。由于孔壁形貌對構(gòu)件裝配質(zhì)量影響很大，具有一定規(guī)則的花紋表面可使孔面與緊固件接觸更加均勻，更有助提高孔面的耐磨性、耐蝕性、抗疲勞性能。而粗糙度是反映孔面微觀幾何形狀誤差的一個重要指標(biāo)。因此，國內(nèi)外學(xué)者已對螺旋銑孔孔面形貌和粗糙度進(jìn)行了研究。LI等人建立了螺旋銑孔孔面3D形貌仿真模型，仿真結(jié)果表明，切向進(jìn)給速度與孔面粗糙度呈非線性關(guān)系，進(jìn)給速度越小，增加公轉(zhuǎn)速度，選擇合適的刀具，都可以改善螺旋銑孔的孔面形貌［5-6］。QIN等人利用響應(yīng)面法，以切削參數(shù)為變量，建立螺旋銑孔表面粗糙度的預(yù)測模型［7-8］。南京航天航空大學(xué)何寧團(tuán)隊(duì)，針對航空鋁合金研究了切削參數(shù)對孔壁粗糙度的影響［9］。

螺旋銑孔盡管通過公轉(zhuǎn)半徑的設(shè)置，將切削區(qū)域由鉆孔時半封閉變?yōu)殂娍讜r的敞開，但影響螺旋銑孔孔面形貌和粗糙度的因素十分復(fù)雜。因此，本文作者基于螺旋銑孔的加工機(jī)理，采取數(shù)值仿真與切削試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過分別對刀具自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度之比為整數(shù)和非整數(shù)兩種情形的形貌仿真與制孔試驗(yàn)，協(xié)同研究了切削控制參數(shù)影響螺旋銑孔粗糙度的變化規(guī)律，為螺旋銑孔技術(shù)推廣應(yīng)用積累工藝基礎(chǔ)。

1 孔壁粗糙度仿真模型建立

1.1 螺旋銑孔孔壁理論粗糙度計算

根據(jù)螺旋銑孔的加工原理，可建立圖1所示的孔壁理論粗糙度計算模型。當(dāng)?shù)毒咦赞D(zhuǎn)過一齒時，刀具相對工件繞待制孔軸線公轉(zhuǎn)過φω，即有:

圖1 孔壁理論粗糙度的計算模型

式中:z為刀具齒數(shù)，ns為刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，nω為刀具公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，λ為轉(zhuǎn)速比，即刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比。

由圖1可知:

式中:e為刀具公轉(zhuǎn)半徑，dt為刀具直徑。

將式 (1)和 (3)代入 (2)，得到:

式 (4)即是螺旋銑孔時孔壁理論粗糙度的計算公式，式中D為待制孔直徑。公式 (4a)用于螺旋銑孔的“一刀多孔”加工情形，公式 (4b)用于螺旋銑孔的“多刀一孔”加工情形。

1.2 螺旋銑孔孔壁微觀形貌仿真模型構(gòu)建

從宏觀上看，螺旋銑孔后孔內(nèi)壁表面為圓柱面。將孔表面從φω＝0°處展開成長方形，則長方形的長度為孔的周長，設(shè)為Y方向，其正向與φω的轉(zhuǎn)向一致，寬度為孔深度，其正向與工件坐標(biāo)系的X向相同。在此長方形上定義網(wǎng)格模型如下:將長方形沿著X向和Y向分別等分為Mx，Ny份，其中X向的等分間隔為螺旋銑孔軸向每齒進(jìn)給量fza，Y向的等分間隔為 φω/Ny。在 Mx× Ny個網(wǎng)格上，用矩陣 Rz［i，j］ (i＝1，2，…，Mx，j＝1，2，…，Ny)表示孔邊對應(yīng)的高度，如圖2所示。

圖2 孔壁輪廓及近似曲線

根據(jù)上述圖形矩陣的劃分網(wǎng)格思路，與螺旋銑孔有關(guān)的運(yùn)動參數(shù)為 (i，j，φω，Ny)，因此螺旋銑孔孔壁微觀形貌的數(shù)學(xué)模型可表示為:

從微觀上看，孔橫截面的微觀輪廓并非為理想的圓，將孔內(nèi)壁表面展開后該微觀輪廓可近似為正弦周期函數(shù)曲線表示，如圖3所示，構(gòu)造曲線函數(shù)如下:

圖3 孔面劃分

在螺旋銑孔過程中，刀具邊自轉(zhuǎn)邊公轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)毒咦赞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比為整數(shù)和非整數(shù)時，會產(chǎn)生兩種不同的孔壁微觀形貌。

(1)刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比為整數(shù)時，刀具相對工件形成封閉曲線，在下一個公轉(zhuǎn)周期范圍內(nèi)刀具不會對已形成的孔壁進(jìn)行再次切削，此時螺旋銑孔孔壁形貌模型可表示為:

(2)刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比為非整數(shù)時，在下一個公轉(zhuǎn)周期范圍內(nèi)刀具會對已形成的孔壁進(jìn)行再次切削，因而在孔內(nèi)壁表面上形成的側(cè)母線是呈一定的規(guī)律相互錯開，此時螺旋銑孔孔壁形貌模型可表示為:

為研究切削控制參數(shù)對孔壁微觀形貌的影響，基于螺旋銑孔過程中刀具相對工件的運(yùn)動軌跡函數(shù)，開展了刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比為整數(shù)時的孔壁微觀形貌仿真;而對刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比為非整數(shù)情形，因影響孔壁形貌的因素非常復(fù)雜，對其將通過切削試驗(yàn)研究切削控制參數(shù)對孔壁粗糙度的影響。

3 自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比為整數(shù)時孔壁形貌仿真

圖4—8為刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比為整數(shù)時，螺旋銑孔切削控制參數(shù)影響孔壁粗糙度的仿真結(jié)果。

圖4為刀具直徑dt為φ8 mm，孔深8 mm，刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns為3 000 r/min，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nω為20 r/min，軸向進(jìn)給螺距p為1 mm，公轉(zhuǎn)半徑e為3.5 mm，刀具齒數(shù)z分別為2和4時的孔壁微觀形貌。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，刀具齒數(shù)對孔壁微觀形貌無明顯影響，但隨著刀具齒數(shù)增多，孔壁粗糙度數(shù)值在減小。

圖4 z對孔壁微觀形貌的影響

圖5 為刀具直徑dt為8 mm，孔深8 mm，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nω為20 r/min，軸向進(jìn)給螺距p為1 mm，公轉(zhuǎn)半徑e為3.5 mm，刀具齒數(shù)z為2，刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns分別為3 000、4 000 r/min時的孔壁微觀形貌。

圖5 n s對孔壁微觀形貌的影響

分析圖5可知，刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對孔壁微觀形貌無明顯影響，但隨刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高，孔壁粗糙度數(shù)值在減小。

圖6為刀具直徑dt為φ8 mm，孔深8 mm，刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns為3 000 r/min，軸向進(jìn)給螺距p為1 mm，公轉(zhuǎn)半徑e為3.5 mm，刀具齒數(shù)z為2，公轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)速nω分別為20、40 r/min時的孔壁微觀形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，刀具公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對孔面微觀形貌無明顯影響，但隨著刀具公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高，孔壁粗糙度數(shù)值在增大。

圖6 nω對孔壁微觀形貌的影響

圖7 p對孔壁微觀形貌的影響

圖7 為刀具直徑dt為φ8 mm，孔深8 mm，刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns為3 000 r/min，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nω為20 r/min，公轉(zhuǎn)半徑e為3.5 mm，刀具齒數(shù)z為2，軸向進(jìn)給螺距p為1、2 mm時的孔壁微觀形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，軸向進(jìn)給螺距對孔壁微觀形貌無明顯影響，但隨著軸向進(jìn)給螺距增大，孔壁粗糙度數(shù)值幾乎沒變化。

圖8為刀具直徑dt為φ8 mm，孔深8 mm，刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns為3 000 r/min，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nω為20 r/min，軸向進(jìn)給螺距p為1 mm，刀具齒數(shù)z為2，公轉(zhuǎn)半徑e分別為1.5、3.5 mm時的孔壁微觀形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，刀具公轉(zhuǎn)半徑對孔壁微觀形貌無明顯影響，但隨著刀具公轉(zhuǎn)半徑增大，孔壁粗糙度數(shù)值在增大。

圖8 e對孔壁微觀形貌的影響

上述仿真結(jié)果表明，增大刀具齒數(shù)、提高刀具自轉(zhuǎn)速度、減小刀具公轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)半徑，可以降低孔壁粗糙度數(shù)值，而軸向進(jìn)給螺距對孔壁粗糙度影響不大。

4 自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比為非整數(shù)時孔壁粗糙度試驗(yàn)

對刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為非整數(shù)情形，文中基于UPC710五軸高速加工中心，通過調(diào)整不同的公轉(zhuǎn)半徑，采用不同的切削控制參數(shù)對Ti6Al4V鈦合金進(jìn)行了螺旋制孔試驗(yàn)。切削控制參數(shù)影響孔壁粗糙度的試驗(yàn)結(jié)果如圖9—11所示。

圖9為φ8 mm銑刀在自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns分別為3 000、4 000、4 500 r/min，周向進(jìn)給速度 fzt＝0.05 mm/z，軸向進(jìn)給螺距 p＝1 mm，公轉(zhuǎn)半徑 e分別為0.5、1.5、3 mm時，螺旋銑削Ti6Al4V時的孔壁粗糙度。從圖9可以看出，在同一公轉(zhuǎn)半徑下，隨著刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高，孔壁粗糙度數(shù)值增大，尤其在公轉(zhuǎn)半徑較小時，孔壁粗糙度數(shù)值增大趨勢較為明顯。同一刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下，公轉(zhuǎn)半徑增大，孔壁粗糙度在變小。由此可推斷，此時不同的刀具自轉(zhuǎn)速度下排屑是影響孔壁粗糙度的主要因素。

圖9 不同e的情況下，n s對R z的影響

圖10 為φ8 mm銑刀在自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns＝3 000 r/min，周向進(jìn)給量fzt分別為0.03、0.04、0.05 mm/z，軸向進(jìn)給螺距p＝1 mm，公轉(zhuǎn)半徑e分別為0.5、1.5、3 mm時，螺旋銑削Ti6Al4V時的孔壁粗糙度。分析圖10可知，在同一公轉(zhuǎn)半徑下，隨著周向每齒進(jìn)給量的增大，孔壁粗糙度數(shù)值呈增大趨勢，但沒有刀具自轉(zhuǎn)速度的影響明顯。而相同的周向每齒進(jìn)給量下，不同的公轉(zhuǎn)半徑之間，孔壁粗糙度數(shù)值隨公轉(zhuǎn)半徑的增大而減小。其原因可能是，螺旋銑孔孔壁由刀具側(cè)刃斷續(xù)銑削形成;側(cè)刃的每齒進(jìn)給量增加，將直接導(dǎo)致側(cè)刃切削力的增大，進(jìn)而影響孔壁粗糙度。由此表明，不同公轉(zhuǎn)半徑下周向每齒進(jìn)給量對孔壁粗糙度的影響，可能是螺旋銑孔切削力與排屑共同的作用結(jié)果。

圖10 不同e的情況下，f zt對R z的影響

圖11 為φ8 mm銑刀在自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns＝3 000 r/min，周向進(jìn)給量fzt＝0.05 mm/z，軸向進(jìn)給螺距p分別為1、1.5、2 mm，公轉(zhuǎn)半徑e分別為0.5、1.5、3 mm時，螺旋銑削Ti6Al4V時的孔壁粗糙度。從圖11可知，在同一公轉(zhuǎn)半徑下，隨著軸向螺距增大，孔壁粗糙度數(shù)值在增大。分析原因，隨著軸向進(jìn)給螺距增大，刀具底刃與側(cè)刃的切削力都在增大，導(dǎo)致刀工之間沿孔徑方向發(fā)生較大變形;同時底刃所產(chǎn)生的切屑厚度在不斷增厚，此時孔壁粗糙度數(shù)值變大可能是切削力和切屑形狀變化的共同作用結(jié)果。不同公轉(zhuǎn)半徑之間，孔壁粗糙度數(shù)值隨公轉(zhuǎn)半徑增大在變小，其原因是公轉(zhuǎn)半徑增大，底刃切屑厚度在不斷減小，而且此時排屑空間也在增大，導(dǎo)致孔表壁粗糙度變好的結(jié)果。

圖11 不同e的情況下，p對R z的影響

上述試驗(yàn)結(jié)果分析表明，孔面粗糙度應(yīng)該是由切削機(jī)理、切削力、排屑、材料性能、刀具結(jié)構(gòu)等多種因素的共同作用結(jié)果。為保證螺旋銑削Ti6Al4V制孔內(nèi)壁粗糙度，應(yīng)首選較大的公轉(zhuǎn)半徑;其次是適中的周向每齒進(jìn)給量，再是較小的刀具自轉(zhuǎn)速度或軸向進(jìn)給螺距。

5 結(jié)論

推導(dǎo)了螺旋銑孔孔壁理論粗糙度的計算公式，構(gòu)造了孔壁微觀形貌的仿真模型。對自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度為整數(shù)情形進(jìn)行了孔壁形貌仿真。仿真結(jié)果表明，隨刀具齒數(shù)增大和自轉(zhuǎn)速度提高，孔壁粗糙度數(shù)值在減小;隨刀具公轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)半徑增大，孔壁粗糙度數(shù)值在增大;軸向進(jìn)給螺距對孔壁粗糙度影響不大。而對自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度為非整數(shù)情形進(jìn)行了Ti6Al4V鈦合金螺旋制孔試驗(yàn)。分析發(fā)現(xiàn)，同一公轉(zhuǎn)半徑下，孔壁粗糙度數(shù)值隨刀具自轉(zhuǎn)速度、周向每齒進(jìn)給量和軸向進(jìn)給螺距增加都呈增大趨勢，其中刀具自轉(zhuǎn)速度、軸向進(jìn)給螺距都比周向每齒進(jìn)給量影響顯著。不同公轉(zhuǎn)半徑下，公轉(zhuǎn)半徑的增加都有助刀具自轉(zhuǎn)速度、周向每齒進(jìn)給量、軸向進(jìn)給螺距降低孔壁粗糙度數(shù)值。

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