階梯鉆鉆削鈦合金實(shí)驗(yàn)

冷小龍 李鵬南 邱新義 牛秋林 李常平

(湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201)

文 摘 采用自主磨制的階梯鉆對(duì)鈦合金進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，并與普通麻花鉆進(jìn)行對(duì)比。分析了不同加工參數(shù)下的鉆削力、切屑形態(tài)、孔徑、孔壁表面粗糙度以及孔出入口毛刺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鉆削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨著進(jìn)給量的增大而增大。相比普通麻花鉆，階梯鉆產(chǎn)生的鉆削力更小，切屑尺寸更小，排出順暢， 孔徑值接近于鉆頭直徑，孔壁表面粗糙度值更小，孔出入口毛刺少。

0 引言

鈦合金具有強(qiáng)度高、密度小、力學(xué)性能好、韌性和抗蝕性能好、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)制造、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車行業(yè)和醫(yī)療器械中應(yīng)用的越來越廣泛[1]，但是鈦合金屬于典型的難加工材料，鉆削過程中出現(xiàn)很多制孔缺陷。關(guān)于如何提高鈦合金制孔質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究。

刀具優(yōu)化方面：趙毅湘等[2]研究了涂層刀具對(duì)鈦合金鉆削性能的影響，發(fā)現(xiàn)涂層刀具耐磨損性能好，表面粗糙度小；MURAD等[3]研究表明孔壁表面粗糙度隨鉆尖角度的增加而減??；張晉等[4]研究發(fā)現(xiàn)增大鉆頭頂角，可以降低毛刺尺寸，排屑更順暢，孔質(zhì)量更好；TAMURA等[5]用階梯鉆加工CFRP/TC4疊層板，討論了預(yù)鉆孔的直徑對(duì)孔質(zhì)量的影響；國(guó)外的RENAULT-PEUET鉆頭(三傾角鉆頭)刀具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 鉆削鈦合金時(shí)鉆削力減小了近一半，并且刀具耐用度高[6]；國(guó)內(nèi)的群鉆改善了鉆削性能，修磨了橫刃，與普通麻花鉆相比，群鉆鉆削鈦合金時(shí)軸向力減少了40%左右[7]。

制孔工藝優(yōu)化方面：WAQAR等[8]研究了進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速與加工面質(zhì)量之間的相關(guān)性，并根據(jù)鉆孔直徑偏差，對(duì)出口毛刺高度和表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估；S. SHARIIF等[9]研究了加工參數(shù)對(duì)鈦合金鉆削力的影響；胡立湘等[10]研究了切削用量對(duì)鈦合金切屑形態(tài)的影響，隨著進(jìn)給量增大，切屑形態(tài)變?yōu)槎搪菪?，此時(shí)排屑順暢；LI等[11]通過螺旋銑孔實(shí)驗(yàn)，研究了刀具磨損對(duì)鉆孔質(zhì)量的影響，主切削磨損會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的出口毛刺；董輝躍等[12]對(duì)復(fù)合材料/鈦合金疊層板進(jìn)行螺旋銑孔實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了加工參數(shù)，鈦合金孔出口無毛刺產(chǎn)生；另外，池建昌等[13]研制了一種鈦合金超聲振動(dòng)鉆削裝置，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鉆削力比普通麻花鉆減少了41%；VIJAY等[14]對(duì)鈦合金進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn)，給出了加工效率高、電極損耗小、表面粗糙度值低的放電參數(shù)。

本文采用自主磨制階梯鉆對(duì)鈦合金進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，分析了加工過程中的鉆削軸向力、切屑形態(tài)、孔徑、孔壁表面粗糙度以及孔出入口毛刺，并與普通麻花鉆進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工件材料和刀具

試驗(yàn)材料為Ti6Al4V(TC4)，板厚為10 mm試驗(yàn)刀具為普通麻花鉆(YG6X)和自主磨制的階梯鉆，直徑都為6 mm，如圖1所示，普通麻花鉆刀具材料為鎢鈷類硬質(zhì)合金，階梯鉆的棒料采用優(yōu)質(zhì)超細(xì)碳化鎢粉末為原料，具有高硬度、高抗彎強(qiáng)度、高耐磨性、高韌性等特性，其WC晶粒尺寸為0.2～0.3 μm，牌號(hào)為ST2F，刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 兩種鉆頭Fig.1 Two kinds of drills

刀具第一鉆頂角/(°)第二鉆頂角/(°)第一階梯直徑/mm第一階梯長(zhǎng)度/mm第一后角/(°)第二后角/(°)螺旋角/(°)橫刃長(zhǎng)度/mm階梯鉆130904.231220380.05普通麻花鉆118---10-300.20

階梯鉆簡(jiǎn)介：本文磨制的鉆頭具有兩個(gè)階梯，是鉆孔和擴(kuò)孔的復(fù)合體，也可以認(rèn)為是初始刃口(第一主切削刃)和次級(jí)刃口(第二主切削刃)復(fù)合而成，第一階梯部分預(yù)鉆孔，去除工件中心材料，削弱了橫刃對(duì)軸向力的影響；第二主切削刃非常鋒利，這就使得第一主切削刃加工所產(chǎn)生出來的毛刺可以被第二主切削刃去除，通過調(diào)整第一主切削刃和第二主切削刃的幾何參數(shù)，可以使得出口毛刺尺寸降到很小。

1.2 測(cè)試儀器和實(shí)驗(yàn)方案

鉆削實(shí)驗(yàn)在KVC800/1立式加工中心上進(jìn)行，該鉆削平臺(tái)還包括夾具和鉆削軸向力測(cè)量系統(tǒng)。采用超景深三維顯微系統(tǒng)(KEYENCE VHX-500FE)對(duì)孔進(jìn)行觀察。孔壁表面粗糙度采用MarSurf M300表面結(jié)構(gòu)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。軸向力采用Kistler 9253B23三向壓電式測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)采用干式鉆削方式。

鉆削實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速n=700 r/min，進(jìn)給量f=0.02，0.04，0.06，0.08 mm/r；進(jìn)給量f=0.03 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速n=500，700，900，1 100 r/min。每組參數(shù)進(jìn)行兩次鉆削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果取兩次實(shí)驗(yàn)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉆削力分析

(1)進(jìn)給量f對(duì)鉆削力的影響。圖2(a)是兩種鉆頭最大鉆削軸向力隨著進(jìn)給量變化的曲線，可以看出階梯鉆和普通麻花鉆的軸向力特征曲線的變化趨勢(shì)是相似的，主軸轉(zhuǎn)速不變，隨著進(jìn)給量的增大，軸向力明顯增大。一方面是因?yàn)樵阢@削過程中，進(jìn)給量f增大，切削厚度hD增大[hD=(f/2)·sinβ]，軸向力Fz也會(huì)增大；另一方面由于進(jìn)給速度增大，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈切除的材料體積增加，切削刃需要克服的阻力也隨之增大，鉆削軸向力就會(huì)明顯增大。鉆削軸向力變化幅度很大，說明進(jìn)給量對(duì)軸向力影響很大。

(2)主軸轉(zhuǎn)速n對(duì)鉆削力的影響。圖2(b)是兩種鉆頭最大鉆削軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速變化的曲線，可以看出階梯鉆和普通麻花鉆的軸向力特征曲線的變化趨勢(shì)是相似的，進(jìn)給量不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，軸向力略有減小。這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速增大，鉆尖與工件材料接觸的時(shí)間減少，摩擦力也隨之減小，鉆削軸向力就會(huì)相應(yīng)減小。同時(shí)主軸轉(zhuǎn)速增加后，刀具、切屑和工件之間的摩擦變得更加劇烈，鉆削區(qū)溫度逐漸升高，導(dǎo)致工件材質(zhì)軟化，材料硬度降低，鉆削力隨之降低。鉆削軸向力變化幅度很小，說明主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力影響不是很大。

相同加工參數(shù)下，普通麻花鉆的鉆削力明顯大于階梯鉆，這是由于階梯鉆獨(dú)有的鉆頭結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，在材料的鉆孔過程中大部分缺陷是由于軸向力過大引起的，而軸向力的主要來源是橫刃，橫刃在鉆孔過程中幾乎做直線運(yùn)動(dòng)，擠壓材料并沒有切削作用，因此會(huì)產(chǎn)生很大的軸向力，與普通麻花鉆相比，階梯鉆的橫刃和第一主切削刃都很短，階梯鉆第一階梯部分首先進(jìn)行鉆削加工，很大程度上減小了鉆削軸向力。

圖2 兩種鉆頭鉆削力隨加工參數(shù)變化曲線Fig.2 Changes of drilling force with the processing parameters of two drills

2.2 切屑形態(tài)分析

鈦合金變形系數(shù)小，切削回彈大，產(chǎn)生的切屑長(zhǎng)而薄導(dǎo)致排屑不暢。圖3和圖4為不同參數(shù)下兩種鉆頭產(chǎn)生的切屑。對(duì)比兩種鉆頭的切屑形態(tài)，明顯發(fā)現(xiàn)普通麻花鉆產(chǎn)生的切屑比階梯鉆的大，普通麻花鉆切屑寬度是階梯鉆的3倍左右。這是因?yàn)殡A梯鉆的切屑主要由第二主切削刃產(chǎn)生，第二主切削刃短于普通麻花鉆的切削刃的緣故。階梯鉆的切屑形態(tài)主要為均勻的帶狀和螺旋狀，切屑尺寸小。隨著進(jìn)給量的增加，切屑厚度增大，階梯鉆的切屑形態(tài)由帶狀變?yōu)槁菪隣?。普通麻花鉆的切屑主要為面積較大且鋒利的帶狀和螺旋狀切屑。隨著進(jìn)給量的增加，切屑出現(xiàn)燒傷，這是因?yàn)榕判疾粫硨?dǎo)致切屑堵塞在螺旋孔，而切屑帶有大量的熱量，熱量積累進(jìn)而燒傷切屑。

圖3 兩種鉆頭的切屑形態(tài)(f=0.03mm/r)Fig.3 Chip morphology of two drills (f=0.03mm/r)

圖4 切屑形態(tài)隨進(jìn)給量變化(n=700 r/min)Fig.4 Chip morphologies of twist drill under different feed rate(n=700 r/min)

2.3 孔徑分析

圖5為測(cè)量的鈦合金孔徑分布圖。可以看出普通麻花鉆鉆削的鈦合金孔徑值均大于6 mm,且超出了公差許可。階梯鉆鉆削的鈦合金孔徑值均在6 mm上下浮動(dòng)，幾乎同鉆頭直徑相同，且都在允許公差范圍內(nèi)。普通麻花鉆鉆削的鈦合金孔徑值波動(dòng)相差甚大，分別與鉆頭直徑相差101、135、14、134、106、235、148、139 μm。階梯鉆鉆削的鈦合金孔徑值分別與鉆頭直徑相差27、23、28、2、4、6、20、7 μm。產(chǎn)生孔徑誤差的根本原因是鈦合金切屑與孔壁的摩擦造成的。鈦合金的切屑流出量、切屑形態(tài)和鉆削力是影響鈦合金板孔徑質(zhì)量的主要因素。階梯鉆的切屑形態(tài)為寬度較小的帶狀和螺旋狀，同時(shí)階梯鉆的螺旋角為38°(普通麻花鉆的螺旋角為30°)，容屑空間更大，切屑可以沿著螺旋槽順利排出；階梯鉆產(chǎn)生的鉆削力小，加工過程產(chǎn)生的振動(dòng)小，鉆削平穩(wěn)，對(duì)孔徑幾乎沒有影響。而普通麻花鉆的切屑形態(tài)為長(zhǎng)且寬的帶狀和螺旋狀，鈦屑排出過程中會(huì)在孔內(nèi)堆積，隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，鋒利堅(jiān)硬的切屑會(huì)鉸傷孔壁，進(jìn)而使孔徑變大；同時(shí)排屑不暢，勢(shì)必會(huì)使切屑溫度升高，切屑粘連在切削刃上參與切削，也會(huì)使孔徑變大；鉆削力大，導(dǎo)致機(jī)床加工過程不穩(wěn)定，對(duì)孔徑也有很大影響。

2.4 孔壁表面粗糙度分析

表面粗糙度是衡量孔質(zhì)量的重要指標(biāo)，當(dāng)鈦合金孔壁表面粗糙度Ra小于1.6 μm即為合格孔。圖6為不同加工參數(shù)下兩種鉆頭孔壁表面粗糙度對(duì)比圖。

兩種鉆頭的鉆孔表面粗糙度與進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速都呈線性關(guān)系，表面粗糙度隨著進(jìn)給量的增加而增大，這是因?yàn)樵阢@削過程中，當(dāng)進(jìn)給量增加，使刀刃每轉(zhuǎn)鉆削厚度上升，鉆削力隨之增大，整個(gè)系統(tǒng)受到的沖擊力必然變大，鈦合金孔壁表面粗糙度隨之增加。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，孔壁表面粗糙度逐漸減小，這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速增大，鉆頭后刀面摩擦力減小，切削力就會(huì)相應(yīng)減小，機(jī)床震動(dòng)減小，鈦合金孔壁表面粗糙度隨之減小。

階梯鉆的孔壁表面粗糙度值明顯小于普通麻花鉆，且都在合格范圍內(nèi)。這與鉆削力和鈦合金切屑形態(tài)有很大關(guān)系。首先，階梯鉆是具有優(yōu)化鉆尖的鉆頭，特殊的鉆尖結(jié)構(gòu)確保了很好的定心性，階梯鉆比普通麻花鉆的鉆削力小，鉆削過程更平穩(wěn)，產(chǎn)生的機(jī)床系統(tǒng)振動(dòng)小，孔壁表面粗糙度??；其次，階梯鉆產(chǎn)生的切屑容易排出孔外，鉆削過程中不會(huì)劃傷孔壁，而普通麻花鉆產(chǎn)生的切屑體積大且鋒利，排屑不順暢，排出過程中鉸傷孔壁，導(dǎo)致孔壁表面粗糙度值變大。

2.5 孔出入口毛刺分析

鈦合金毛刺類型主要有泊松毛刺和翻轉(zhuǎn)毛刺?？壮隹诜较蛎逃葹閲?yán)重。圖7和圖8為兩種鉆頭孔出入口毛刺形貌對(duì)比圖。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，階梯鉆入口圓滑光整，幾乎沒有毛刺產(chǎn)生，出口有少量泊松毛刺產(chǎn)生。普通麻花鉆入口有毛刺產(chǎn)生，毛刺向工件里面凹陷，稱負(fù)毛刺，出口方向有明顯的翻轉(zhuǎn)毛刺產(chǎn)生并且有燒傷現(xiàn)象。這主要是是由于刀具結(jié)構(gòu)影響，階梯鉆是鉆鉸復(fù)合刀具，第一主切削刃加工所產(chǎn)生出來的毛刺可以被第二主切削刃去除，當(dāng)加工參數(shù)取合適值時(shí)，就可以抑制翻卷毛刺的產(chǎn)生，而生成尺寸很小的泊松毛刺。普通麻花鉆鉆削的出口毛刺有明顯的燒傷，這是由于鉆削溫度高，切屑排出不暢，而切屑帶有大量的熱量，產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。

圖8 兩種鉆頭孔出口形貌對(duì)比圖Fig.8 Comparison of morphology of two drills

3 結(jié)論

本文采用自主磨制的階梯鉆對(duì)鈦合金材料進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論:

(1)階梯鉆以其獨(dú)特的鉆頭結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的鉆削力

明顯小于普通麻花鉆，鉆削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸減小，隨著進(jìn)給量的增大而明顯增大；

(2) 階梯鉆產(chǎn)生的切屑體積小更容易排出孔外，普通麻花鉆產(chǎn)生的切屑鋒利且堅(jiān)硬，排屑困難，損害孔質(zhì)量；

(3) 相比普通麻花鉆，階梯鉆制孔孔徑誤差小，幾乎等同鉆頭直徑，孔壁表面粗糙度都在允許范圍內(nèi)，孔出入口毛刺尺寸小。階梯鉆這種鉆鉸一體刀具適合鉆削鈦合金。