球頭銑刀螺旋銑孔材料去除及孔形成過程分析

王海艷，陶克新，金 天

(東北大學秦皇島分校 控制工程學院，河北 秦皇島 066004)

目前鈦合金等新材料逐步應(yīng)用于飛機零部件的制造過程中，連接孔很大一部分通過傳統(tǒng)鉆孔工藝完成，但是鉆孔時存在軸向力大、散熱條件差、制孔精度低等問題[1].近幾年，螺旋銑孔技術(shù)逐步應(yīng)用到難加工材料的制孔加工過程中，國內(nèi)外學者針對螺旋銑孔加工過程展開了一系列研究.

Wang等[2]基于螺旋銑孔原理建立了切削力解析模型，對鈦合金在不同切削參數(shù)下的動態(tài)切削力進行了仿真，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好.高凱曄[3]采用有限元方式對鈦合金螺旋銑孔專用刀具進行優(yōu)化設(shè)計.Pereira等[4]對AISI H13零件干式螺旋銑孔過程中刀磨損狀態(tài)進行了分析，結(jié)果顯示螺旋銑削(HM)制孔能明顯提高刀具壽命.王歡等[5]針對鈦合金螺旋銑孔加工中切削溫度及切削力的特征進行研究，發(fā)現(xiàn)切削溫度是影響刀具磨損及加工孔質(zhì)量的主要因素.江躍東等[6]研究了螺旋銑孔工藝參數(shù)對鈦合金孔壁表面完整性的影響規(guī)律.董輝躍等[7]提出在刀具回程過程中進行二次精加工的工藝策略，優(yōu)化參數(shù)后的回程精加工工藝提高了疊層孔的制孔精度.Chen等[8]采用超聲振動螺旋銑削技術(shù)(UVHM)對鈦合金孔加工進行了研究，通過試驗證明在不同切削速度下，UVHM比HM的軸向切削力降低了38%～64%.

球頭銑刀可以滿足軸向進給條件，同時其“S”形切削刃和螺旋銑孔的加工方式均有利于切屑排除和散熱，被更多地應(yīng)用到銑削加工中.Vakondios等[9]研究球頭銑刀在各種銑削加工過程中對鈦合金表面粗糙度的影響.Olvera等[10]采用兩種不同的加工策略，確定了采用球頭立銑刀完成鈦合金螺旋銑孔過程合適的切削參數(shù).目前將球頭銑刀應(yīng)用于螺旋銑孔加工的研究相對較少，因此本文針對球頭銑刀在螺旋銑孔加工中特有的優(yōu)勢，通過運動學分析，研究球頭銑刀螺旋銑孔過程中材料去除方式和孔形成機理，同時通過仿真和試驗的方式驗證本文研究的有效性.

1 球頭銑刀螺旋銑孔運動學

螺旋銑孔技術(shù)由刀具的自轉(zhuǎn)運動、圍繞預(yù)加工孔中心的公轉(zhuǎn)運動和軸向進給運動復(fù)合而成.如圖1所示，三種運動同時進行使得刀具中心運動軌跡呈現(xiàn)螺旋形式，同時通過調(diào)整偏心距可以實現(xiàn)一把刀具加工多種孔徑的孔.

螺旋銑孔工藝中，刀具直徑和偏心距都會對孔直徑產(chǎn)生直接影響，因此要研究螺旋銑孔運動必須對其螺旋線的運動軌跡進行研究.如圖2所示，在螺旋銑孔加工過程中的主要參數(shù)為刀具公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nr、刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速na、刀具軸向進給速度vf、孔直徑D、刀具直徑d、刀具齒數(shù)Z、刀具軸向每齒進給量fza及切向每齒進給量fzt.

那么球頭銑刀螺旋軌跡導(dǎo)程可表示為

h=π(D-d)fza/fzt.

(1)

軸向進給速度可表示為

vf=fzanrZ.

(2)

主切削刃最外端切削速度為

vtz=fztnaZ.

(3)

刀具軸心水平方向切削速度為

vtr=vtz(D-d)/D.

(4)

則可得到刀具螺旋運動軌跡參數(shù)方程為

(5)

2 孔形成機理

根據(jù)球頭銑刀螺旋銑孔加工過程中不同特征時刻刀具和工件的形態(tài)及相對位置關(guān)系，分析球頭銑刀螺旋銑孔的孔形成過程，同時通過對被去除材料的橫截面面積和工件材料的截面特征，分析球頭銑刀螺旋銑孔過程中材料去除行為.

2.1 球頭銑刀螺旋銑孔孔形成過程

在球頭銑刀螺旋銑孔過程中，根據(jù)不同時刻刀具相對工件所在位置，選取切削加工過程中的4個典型特征時刻進行詳細分析，如圖3所示，其中H為工件厚度.假設(shè)刀具開始切削時的時間為t0，首先球頭銑刀球形切削刃最底端與工件接觸，當?shù)毒咿D(zhuǎn)動TP/2后(TP為刀具公轉(zhuǎn)一周所用時間)，孔截面底部開始呈現(xiàn)雙“U”形弧線形狀，刀具下降h/2(h為刀具公轉(zhuǎn)一周軸向切深)，并保持這種形狀孔加工深度達到h，如圖3a所示.隨后刀具繼續(xù)運動，逐漸通過被加工孔中心線，此時雙“U”形弧線輪廓合并，孔截面呈現(xiàn)“臀”形曲線，隨著螺旋銑孔過程的進行，球頭銑刀逐漸通過被加工孔中心線，孔截面“臀”形曲線逐步增大，但此時并未到達所要求加工孔直徑D，如圖3b所示.隨著被加工孔直徑逐漸擴大，直到孔直徑達到最大，此時刀具球形切削刃完全切入工件，接下來球頭銑刀側(cè)切削刃開始參與切削.在孔內(nèi)切削加工時，球形切削刃與側(cè)切削刃同時參與切削，到孔出口處位置時，球頭銑刀球形切削刃以類似于孔入口的方式開始孔出口的切削過程，刀具到達最底端，如圖3c所示.當?shù)毒呃^續(xù)切削通過時，孔出口處直徑不斷擴大，切削過程直至球頭銑刀球形切削刃完全切出工件，出口處孔徑達到所需直徑D，完成球頭銑刀螺旋銑孔加工過程，如圖3d所示.

通過上述對球頭銑刀螺旋銑孔的孔形成過程研究，獲得了球頭銑刀螺旋銑孔過程的特征加工時刻，以及對應(yīng)時刻刀具和工件形態(tài)的相對位置關(guān)系，有利于進一步分析球頭銑刀螺旋銑孔的材料去除行為.

2.2 球頭銑刀螺旋銑孔材料去除行為

為了進一步分析和解釋球頭銑刀螺旋銑孔過程中的材料去除行為，用待切削材料橫截面面積的變化來考慮工件材料去除體積的變化情況，再由去除材料的平均切深，就可以近似計算得出待切削材料的體積，進而分析待切削工件材料與切削力之間的關(guān)系.采用幾何分析方式分析刀具每公轉(zhuǎn)一周時，去除的未變形切削材料的橫截面面積和工件材料的截面圖.

如圖4所示，灰色陰影區(qū)域表示螺旋銑孔過程中不同階段任意時刻的工件材料的橫截面積，淺灰色陰影區(qū)域表示在該時刻刀具公轉(zhuǎn)一周時，球頭銑刀切除的工件材料的橫截面面積.根據(jù)之前對球頭銑刀螺旋銑孔的孔形成過程分析，在未變形切削材料橫截面面積的幾何分析中，選擇球頭銑刀螺旋銑孔過程中4個不同的階段進行分析，在這些階段中任意時刻的待切削材料的橫截面面積可以用等式表示，首先令l=vf(t-t0).

以刀具偏離加工孔中心線最遠處位置為基準位置，待切削材料的橫截面面積由三部分組成，即t時刻，t-TP時刻及t-TP/2時刻刀具截面位置構(gòu)成的多邊形面積，如圖中淺灰色區(qū)域所示.此處選擇圖4b和圖4c兩個階段進行詳細分析.如圖4b所示，此時球頭銑刀刀具最大直徑處即將與工件接觸，加工孔直徑未達到要求孔直徑，只有球形切削刃參與切削，刀具與工件上表面接觸于A點，F(xiàn)點為該時刻刀具公轉(zhuǎn)一周前球形切削刃與工件交點，N4為目標孔截面與工件上表面交點，E，B分別為該時刻刀具所在位置與t-TP/2時刻和t-TP時刻刀具位置的交點，即為待切削材料的橫截面面積臨界點，則此時SABEF表示待切削材料的橫截面面積.在圖4c中，刀具開始切出工件，但上一時刻刀具仍處于工件內(nèi)，該階段結(jié)束將產(chǎn)生工件材料掉落，因此待切削材料的橫截面面積計算方式也將發(fā)生變化，圖中A,B分別為t-TP時刻及t時刻刀具橫截面最大直徑處與孔壁接觸點，E,F為此時刀具截面與工件下表面接觸點，M,N為待切削材料橫截面面積的臨界點，此時待切削材料的橫截面面積由SABEFMN表示，參照圖5的方式將待切削材料的橫截面面積簡化.

通過計算可以得出所分析兩階段待切削材料的橫截面面積分別為

(6)

(7)

其中:i=vf(t-t4-TP)+h-H;j=vf(t0-t4-TP)+h.從式(6)，式(7)可以看出,在加工參數(shù)已知的條件下，待切削材料的橫截面面積可以通過給定的參數(shù)計算得出，再由去除材料的平均切深，就可以計算得出待切削材料的體積，其余時刻待切削材料的橫截面面積均可按相似方式進行求解.

實際加工中工件的材料去除表現(xiàn)為切屑，加工過程中測量刀具公轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的切屑即去除材料體積較為困難，同樣對球頭銑刀螺旋銑孔過程中的材料去除過程進行理論分析時，如果直接計算材料去除體積，計算過程較為復(fù)雜且難以確定結(jié)果的準確性，但將待切削材料體積通過先計算待切削材料橫截面積面積，再由去除材料的平均切深獲得去除材料體積的方式，使得球頭銑刀螺旋銑孔過程更為直觀清晰，計算結(jié)果準確的同時簡化了計算過程.

圖6表示在鈦合金材料厚度為5 mm，加工孔徑為10 mm，刀具直徑為6 mm，偏心距為2 mm，刀具軸向進給速度為60 mm/min的工藝參數(shù)下待切削材料體積的變化.

從圖中可以看出去除的工件材料體積逐步增加或減少，而不是在孔入口或出口處急劇增加或減少，材料去除過程平穩(wěn).工件材料去除體積的變化也間接反映了切削力的變化情況，可以預(yù)測球頭銑刀在螺旋銑孔加工中，切削力在孔入口和孔出口處逐步增加和減小，沖擊和機械損傷不強，這意味著無論在孔入口處還是在出口處，都將獲得較好的制孔質(zhì)量.

3 鈦合金球頭銑刀螺旋銑孔試驗

3.1 試驗設(shè)計與規(guī)劃

使用漢川XK714D三軸數(shù)控機床對TC4鈦合金板進行螺旋銑孔加工試驗，采用三向Kistler 9119AA2 測力儀檢測切削力信號，檢測到的信號經(jīng)Kistler5070A型電荷放大器傳輸，通過Kistler 2855A5型數(shù)據(jù)采集卡進行切削力信號采集，由Dynoware測力儀軟件進行實時顯示，試驗平臺如圖7所示.

螺旋銑孔加工材料為Ti6Al4V鈦合金板，厚度10 mm，長、寬均為120 mm，選用加工刀具為TiAlN涂層硬質(zhì)合金球頭銑刀，直徑為6 mm，螺旋角為35°，洛氏硬度為HRC55，顆粒度0.6 UM，2刃.螺旋銑孔試驗切削參數(shù)采用全因子設(shè)計方法，以切削速度v、切向每齒進給量fzt、每轉(zhuǎn)軸向切深h三個因素為目標分別設(shè)置三個水平.參數(shù)設(shè)定范圍考慮了鈦合金的切削速度要求(不大于100 m/min)[11]，以及球頭銑刀能承受的情況，具體試驗參數(shù)如表1所示.

表1 銑削參數(shù)表

3.2 試驗結(jié)果討論與分析

3.2.1 切削力

圖8為采用球頭銑刀對鈦合金進行螺旋銑孔加工過程中測得的軸向切削力，為了確定在先前運動學研究中預(yù)測的球頭銑刀每公轉(zhuǎn)一周待切削材料的橫截面積的變化情況，將平均軸向力也繪制在同一圖中，以顯示球頭銑刀螺旋銑孔過程中的軸向切削力變化情況.可以看出在孔入口處軸向切削力的變化趨勢與預(yù)測情況稍有不同，這是由于刀具與工件開始接觸瞬間產(chǎn)生沖擊，但可以看出，球頭銑刀螺旋銑孔加工過程中，軸向切削力在孔入口處逐步增加，到達峰值后以平穩(wěn)切削力進行切削加工，到達出口處時，軸向切削力逐步減小直至加工完成，軸向切削力的變化情況與預(yù)測的待切削材料體積的橫截面積變化情況非常相似，表明該切削體積的預(yù)測是十分有效的.球頭銑刀在螺旋銑孔加工過程中，孔入口與出口處切削力較小且切削平穩(wěn)，切削力以逐步方式增加或減小，沖擊和機械損傷較小，將獲得較好的制孔質(zhì)量.

3.2.2 刀具磨損

刀具磨損主要來源于工件和刀具的擠壓以及刀具直徑的磨損，而刀具磨損的嚴重程度直接影響到加工孔質(zhì)量.本試驗采用干切削方式，每把刀具加工27個直徑為10 mm的孔，由于螺旋銑孔加工屬于斷續(xù)切削，切削刃會受到X，Y，Z三個方向切削力的斷續(xù)沖擊，將承受較大壓力，在干切削的高溫高壓環(huán)境下會產(chǎn)生脆性斷裂，因此球頭銑刀會發(fā)生疲勞破壞以及崩刃破壞，如圖9所示.從圖9a中可以看到，球頭銑刀切削刃基體出現(xiàn)疲勞裂紋，但是刀具整體結(jié)構(gòu)相對完整，除少量疲勞破壞外只有部分被切削材料粘結(jié)在刀尖.在圖9b中可以看到切削刃有兩處表面出現(xiàn)小塊基體脫落現(xiàn)象，發(fā)生崩刃破壞，但刀具整體結(jié)構(gòu)完整，材料紋絡(luò)清晰，仍可用于螺旋銑孔加工，刀具磨損較小.

3.2.3 制孔質(zhì)量

采用工具顯微鏡對鈦合金孔入口毛刺情況進行了觀察和記錄，圖10表示切削力逐漸增大時孔口毛刺情況.

從圖中可以看出在切削力較小時孔口基本沒有毛刺，隨著切削力的增大，毛刺逐漸增多，由此可知鈦合金孔的口毛刺隨切削力增大而增多.圖10d所示的毛刺屬于出口側(cè)邊毛刺，這種毛刺的產(chǎn)生是由于在銑削鈦合金孔時，當銑削接近終端面時，穩(wěn)態(tài)切削結(jié)束，隨著工件進給和刀具旋轉(zhuǎn)使得一部分工件被切掉形成切屑，一部分靠近工件棱邊的材料受到下一個刀齒產(chǎn)生的向外推擠作用力，當工件進一步進給時，一部分工件材料被切斷，一部分在推擠作用力下材料沿著負剪切平面發(fā)生塑性彎曲和剪切變形伸出孔外，形成毛刺.即使在切削力較大情況下，除去側(cè)邊毛刺，孔口處毛刺較少，制孔質(zhì)量較好.

加工直徑是檢驗制孔質(zhì)量的標準之一，本次試驗對所有球頭銑刀螺旋銑孔加工的孔入口直徑和出口直徑進行檢測，檢測結(jié)果如圖11所示.

可以看出孔入口直徑最大偏差+34 μm，最小偏差+25 μm，平均孔徑為10.03 mm，隨著加工孔數(shù)目的增加偏差逐漸增大，即孔徑越來越大；出口直徑最大偏差-28.75 μm，最小偏差-1 μm，平均孔徑為9.989 mm，隨著加工孔數(shù)目的增加偏差逐漸增大，即孔徑越來越小.從測量結(jié)果可以看出，孔入口直徑整體大于出口直徑，分析主要原因在于開始切削加工時，刀具和機床存在振動現(xiàn)象，振動導(dǎo)致孔入口處直徑偏大，隨著加工深入，逐漸進入穩(wěn)定加工階段，刀具平穩(wěn)切削，所以孔出口處直徑普遍小于入口處直徑.同時考慮到刀具持續(xù)加工存在的磨損現(xiàn)象，刀具直徑發(fā)生變化，使加工孔徑減小，即出口處直徑普遍偏小.檢測結(jié)果表明，球頭銑刀螺旋銑孔加工鈦合金孔的尺寸公差等級可以達到IT6～IT8 等級，相當于鏜孔加工的加工精度等級，完全達到加工需求.

4 結(jié) 論

1) 球頭銑刀在螺旋銑孔加工過程中，球面切削刃逐漸進入切削狀態(tài)，最終與孔壁接觸的為側(cè)切削刃，切削力加載在刀具上由多個刀刃承擔.

2) 根據(jù)待切削材料橫截面面積變化的理論分析，得到球頭銑刀螺旋銑孔過程中的特征加工時刻，以及對應(yīng)的刀具和工件形態(tài)的相對位置關(guān)系.

3) 通過計算待切削材料體積，發(fā)現(xiàn)球頭銑刀螺旋銑孔的材料去除過程平穩(wěn)，待切削材料體積在孔入口及出口處逐步增加和減少.

4) 球頭銑刀鈦合金螺旋銑孔試驗結(jié)果顯示孔入口與出口處切削力較小，軸向力的變化情況與預(yù)測的待切削材料體積的變化情況非常相似，切削力逐步增加或減小，孔口毛刺較少，刀具受力均勻，磨損較小，孔的尺寸公差等級可以達到IT6～IT8等級，孔質(zhì)量較高.