鈦合金深孔鉆削溫度測(cè)量及加工表面質(zhì)量研究

秦 聲，密思佩，明偉偉，陳 明

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

1 前言

鈦合金由于比強(qiáng)度高，耐熱性好，耐腐蝕，密度小，無(wú)磁性等特性，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-3]。在航空航天領(lǐng)域中，由于部件尺寸的減小和功率密度的增加，常要求加工小直徑和高長(zhǎng)徑比的深孔[4]。對(duì)于此類深孔加工，切削過(guò)程處于封閉或半封閉環(huán)境，易產(chǎn)生高溫?fù)p傷孔壁，監(jiān)測(cè)其切削溫度，研究切削溫度對(duì)孔壁表面質(zhì)量的影響具有重大意義。

為了獲得良好的加工質(zhì)量，許多方法已被用于深孔加工，如槍鉆，BTA[5]，DF等。然而，由于麻花鉆的正角切削有利于切屑平滑流出，深孔加工中麻花鉆仍然為主要的一種加工方式[6]。金屬加工質(zhì)量與加工參數(shù)如切削速度、進(jìn)給量等有關(guān)，其中，溫度是金屬切削的關(guān)鍵因素，特別是對(duì)于鈦等難加工材料。許多研究人員研究了深孔鉆削時(shí)的切削溫度，如文獻(xiàn)[7]使用熱電偶測(cè)量鉆削溫度，并使用Taguchi方法優(yōu)化切削參數(shù)。文獻(xiàn)[8]將熱電偶集成到切削刃附近的鉆頭中，以測(cè)量鈦鉆削過(guò)程中的鉆削溫度。文獻(xiàn)[9]在工件中嵌入熱電偶來(lái)測(cè)量鉆孔溫度。文獻(xiàn)[10]使用熱紅外成像儀監(jiān)測(cè)薄壁工件表面，采集鉆削溫度的變化。除了溫度測(cè)量方法，許多研究人員還對(duì)鈦合金的加工質(zhì)量進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[11]對(duì)鈦合金鉆削進(jìn)行了全面分析，發(fā)現(xiàn)鈦合金表面對(duì)粘附材料極為敏感。文獻(xiàn)[12]在鉆削過(guò)程中對(duì)比了不同潤(rùn)滑劑的作用，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)MQL的作用最好，對(duì)工件加工質(zhì)量最為友好。文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)加工表面形貌取決于鉆頭及其涂層的類型。文獻(xiàn)[14]研究了TC4鉆削過(guò)程中的顯微組織和顯微硬度，發(fā)現(xiàn)亞表面顯微硬度沿孔長(zhǎng)略有變化，且對(duì)潤(rùn)滑條件較為敏感。

采用旋轉(zhuǎn)測(cè)溫刀柄測(cè)量TC4鈦合金深孔鉆削的溫度，研究切削加工參數(shù)對(duì)深孔加工溫度的影響規(guī)律，分析深孔加工溫度與孔壁表面質(zhì)量的關(guān)系，確定有利于TC4鈦合金深孔鉆削表面質(zhì)量的鉆削工藝參數(shù)。

2 TC4深孔鉆削實(shí)驗(yàn)

2.1 工件材料

試驗(yàn)采用鍛造α-β 相Ti-6Al-4V（TC4）合金，工件尺寸為（500×200×30）mm。Ti-6Al-4V的化學(xué)組成，如表1所示。

表1 Ti-6Al-4V合金的元素成分Tab.1 Chemical Composition of Ti-6Al-4V

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

深孔鉆削試驗(yàn)在HAAS EC-160 臥式加工中心進(jìn)行。本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)冷孔預(yù)埋熱電偶絲的方法在線測(cè)量深孔鉆削過(guò)程的溫度。試驗(yàn)裝置采用兩個(gè)K型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶安裝在鉆頭側(cè)面的內(nèi)冷卻孔中，兩個(gè)埋在內(nèi)冷卻孔中的熱電偶與旋轉(zhuǎn)測(cè)溫刀柄連接，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程溫度采集卡對(duì)溫度實(shí)時(shí)采集，其中，溫度采樣信號(hào)為1Hz，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)數(shù)據(jù)線將采集的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中完成數(shù)據(jù)的輸出。

圖1 TC4深孔鉆削試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental Setup of TC4 Deep Hole Drilling

試驗(yàn)中使用的刀具為硬質(zhì)合金麻花鉆，其信息，如表2所示。

表2 刀具信息Tab.2 Tool Information

2.3 試驗(yàn)方案

TC4深孔鉆削試驗(yàn)采用全因素方法，鉆削參數(shù)，如表3所示。所有試驗(yàn)均為干切削。鉆孔深度為150mm，約為鉆頭直徑的12.5倍，在鉆深孔之前先鉆20mm的導(dǎo)孔。試驗(yàn)后，測(cè)量深孔的表面粗糙度和表面紋理，分析加工表面的硬化層。

表3 TC4深孔鉆削試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Deep Hole Drilling Parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 TC4深孔鉆削溫度

轉(zhuǎn)速10m/min，進(jìn)給量為0.04mm/rev參數(shù)下鉆孔溫度隨著深度變化的曲線，如圖2所示。由于導(dǎo)孔的存在，鉆頭在前20mm內(nèi)沒(méi)有參與切削，測(cè)得的溫度為室溫。當(dāng)鉆頭開(kāi)始參與切削，測(cè)得的溫度急劇上升，最后當(dāng)鉆孔深度達(dá)到60mm 時(shí)，溫度穩(wěn)定在250℃附近。深孔鉆削為封閉鉆削，沒(méi)有內(nèi)部冷卻和有效的切屑去除，隨著深度的增加，因切削熱的積聚，測(cè)得的溫度略有上升，其最大值可達(dá)到270℃。因?yàn)闊犭娕紲y(cè)量端距離切削刃約2mm，實(shí)際測(cè)得的溫度略低于切削區(qū)域的實(shí)際切削溫度。收集的信號(hào)可表示切削溫度的變化趨勢(shì)。

圖2 鉆削溫度與鉆削深度的函數(shù)關(guān)系（10m/min，0.04mm/rev）Fig.2 Drilling Temperature as a Function of Drilling Depth（10m/min，0.04mm/rev）

試驗(yàn)所測(cè)得的全部鉆削溫度曲線，如圖3 所示。所有曲線都有類似的趨勢(shì)：隨著鉆削深度的增加，溫度上升，增長(zhǎng)率下降。在0.04mm/rev的進(jìn)給速度下，鉆削溫度隨鉆削速度變化波動(dòng)很大。在切割速度為10m/min時(shí)，溫度約為250℃，而在20m/min和30m/min時(shí)，溫度約為530℃和570℃，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)切削速度對(duì)切削溫度有著顯著的影響，并且隨著切削速度的增加，切削溫度急劇上升。因?yàn)楫?dāng)工件處于較高的切削速度，材料去除率上升，產(chǎn)生的切削熱量快速增加而無(wú)法及時(shí)消散到工件或切屑中，導(dǎo)致切削溫度急劇上升。然而，當(dāng)切削速度超過(guò)20m/min時(shí)，溫度增加速率開(kāi)始下降，此時(shí)進(jìn)給速度對(duì)溫度有輕微和不規(guī)則的影響。這是由于切削刃處的切削厚度增加，切削所需功率增加，從而導(dǎo)致了更高的切削溫度。

圖3 試驗(yàn)測(cè)得鉆削溫度變化規(guī)律Fig.3 Drilling Temperatures of All Tests

3.2 深孔加工表面質(zhì)量

孔深為50mm，90mm和130mm的孔壁被剖開(kāi)進(jìn)行進(jìn)一步的表面質(zhì)量分析。所測(cè)試三個(gè)位置的表面粗糙度，如圖4所示。前四次試驗(yàn)的表面粗糙度差異不大，隨著鉆削速度和進(jìn)給量的增大，表面粗糙度略有增加，Rɑ約為0.6μm。第五次測(cè)試結(jié)果異常，所測(cè)試的三個(gè)位置的表面粗糙度均為最大，均超過(guò)1μm。這可能是由鉆削溫度過(guò)高引起的，第五組所測(cè)溫度是六組實(shí)驗(yàn)所測(cè)得溫度中的最高值。在第三和第六次測(cè)試中，90mm處的表面粗糙度比其他位置大得多，這是由第三和第六次測(cè)試中該位置的弱剛性引起的。

圖4 孔深50mm，90mm and 130mm深孔的表面粗糙度RaFig.4 Surface Roughness Ra of Deep Holes at Hole Depth 50mm，90mm and 130mm

在三個(gè)不同鉆削參數(shù)下鉆孔深度為130mm處的表面加工形態(tài)，如圖5所示。粘附材料和表面劃痕是加工表面的主要缺陷。粘附材料是由高溫引起的，而表面劃痕是由切屑引起的。隨著溫度的升高，材料軟化并更容易粘附到刀具和已加工表面上。因此，第五次試驗(yàn)的表面具有最多粘附的鈦，這與溫度和粗糙度結(jié)果一致。

圖5 不同參數(shù)下加工表面的SEM圖像Fig.5 SEM Images of Machined Surface under Different Parameters

3.3 深孔加工表面硬化

還研究了加工硬化現(xiàn)象。四組加工參數(shù)下孔深度為130mm處已加工表面的金相組織，如圖6所示。由于鈦加工過(guò)程中的高應(yīng)變率，加工表面周?chē)木ЯＱ剡M(jìn)給方向變形。高溫導(dǎo)致已加工表面燒傷，對(duì)加工表面造成了很大的破壞，如圖6（a）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)約10μm的白色層，其由鈦的β相組成，這種現(xiàn)象表明實(shí)際切削區(qū)溫度高于相變溫度。那些新產(chǎn)生的β相進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，如圖6（b）所示。相變層下也存在晶?；儸F(xiàn)象，如圖6（d）所示。

圖6 四組參數(shù)下加工表面的金相結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of Machined Surface under Four Parameters

4 結(jié)論

通過(guò)鍛造α-β 相Ti-6Al-4V（TC4）合金全因素深孔鉆削試驗(yàn)，研究了基于旋轉(zhuǎn)測(cè)溫刀柄的鉆削表面質(zhì)量影響因素，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）采用熱電偶溫度測(cè)量的方法可成功采集深孔鉆削的溫度。

（2）切削速度對(duì)鉆削溫度的影響最大，進(jìn)給速度對(duì)鉆削溫度略有影響。

（3）當(dāng)切削速度達(dá)到30m/min 時(shí)，表面質(zhì)量迅速惡化，產(chǎn)生表面燒傷和嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象。

（4）結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，建議實(shí)際使用深孔鉆削參數(shù)為20m/min，0.08mm/rev。