三臺階鉆超聲輔助鉆削Ti6Al4V 的加工質量研究

陳國慶，王大中

（201600 上海市 上海工程技術大學）

0 引言

TC4 鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性、密度小、比強度高、焊接性好等優(yōu)點，已成功應用于航空航天、石化、造船等行業(yè)。在機械加工過程中，鉆孔是重要過程，幾乎涉及鈦合金的所有應用。在常規(guī)鉆削中，鉆頭周圍通常包裹著連續(xù)的切屑，這對加工效率和刀具壽命有重大影響。TC4 鈦合金的特性使得生產的切屑不太可能破裂。盡管已經(jīng)提出了很多創(chuàng)新性的刀具[1-2]，但無法保證加工質量，查詢相關文獻，對三臺階鉆加工Ti6Al4V 的研究幾乎沒有。

本研究利用仿真軟件進行超聲振動輔助鉆削，研究不同參數(shù)下對鉆削鈦合金的過程的影響。本研究分析了超聲振動的運動學特性，給出了常規(guī)鉆削與超聲振動輔助鉆削的運動曲線。對比了不同切削參數(shù)下常規(guī)鉆削與超聲振動輔助鉆削對Ti6Al4V 加工質量的影響。本文主要從推力、溫度、切屑和刀具磨損方面進行探討，希望得到更好的加工質量。

1 超聲輔助鉆削的運動學特性

UAD 是一種新穎的加工方法，通過在刀具上添加高頻振動來去除工件，使切屑斷裂，提高加工質量和加工效率。其原理是給刀具添加一定的振幅和頻率，改變刀具的進給速度。

在鉆頭上增加超聲軸向振動，其模型如圖1 所示。圖1 中：n——鉆頭的轉速；fz——鉆頭進給速度；A——振幅；f——振動頻率。

圖1 超聲振動鉆削中鉆頭模型圖Fig.1 Model drawing of drill bit in UAD

如果鉆孔半徑為R，則UAD 在某一時間的三維坐標為[3]

常規(guī)鉆削加工某時刻的三維坐標為

某時刻鉆頭鉆過的角度為θ，X-Y 平面為工件加工面，Z 軸為鉆頭在進給方向上的垂直位移。圖2 顯示了常規(guī)鉆削與超聲輔助鉆削的運動螺旋曲線示意圖。

圖2 刀刃的運動軌跡Fig.2 Movement track of blade

2 振動鉆削模型

在超聲輔助鉆削過程中，鉆頭被施加振幅和高頻（f＞20 kHz）。其加工過程中的振動模型如圖3 所示。進給方向的速度Vf可以表示為

圖3 振動加工工藝Fig.3 Machining process with vibration

式中：Vf——鉆頭進給量，mm/r；n——鉆頭的轉速；A——振幅；f——振動頻率。

對于鉆頭的刀刃上的點，即與鉆頭中心線距離為r 的刃上的點，其旋轉切速度Vc可以表示為

電氣性能是儀表電纜測試時的重要內容，主要包括直流電阻、絕緣電阻和沖擊電壓試驗等[18]，在文獻[1-4]中均有詳細的規(guī)定。結構尺寸、機械性能、物理性能等也需滿足儀表電纜所執(zhí)行的標準中規(guī)定的要求。對于阻燃、耐火、耐油、耐紫外線等特殊要求，相關的國內外測試標準見表2所列。

式中：Vc——旋轉切速度；n——鉆頭的轉速；

則總的切削速度可以表示為

3 實驗與仿真模擬

3.1 三臺階鉆頭的設計

使用三維建模軟件繪制的麻花鉆和三臺階鉆如圖4 所示。2 個鉆頭的點角均為2θ。ψ和D 分別是鉆頭的螺旋角和直徑。在麻花鉆的基礎上，將三臺階鉆頭分為三級，作為主切削刃。每個臺階較長部分的刃口角度為2θ，較短部分的刃口角度較小。三臺階鉆產生的切削力是幾個部分的總和，如鑿刃和主切削刃[4]。鉆頭各參數(shù)的尺寸如表1 所示。

圖4 2 種鉆頭的結構Fig.4 Geometry of the two kinds drill

表1 鉆頭參數(shù)Tab.1 Drill bit geometry

3.2 建模與仿真過程

有限元模擬有助于模擬切削過程，模型參數(shù)決定了加工質量。本研究中選擇的式（6）中的約翰遜庫克材料模型[5]通常用于金屬切削，此外它是應變、溫度和應變率的函數(shù)。它非常適用于高應變和大塑性變形的加工過程。模型中刀具和工件的性能參數(shù)如表2 所示。

表2 Ti6Al4V 和WC 的熱機械性能Tab.2 Thermo-mechanical properties of Ti6Al4V and WC

式中：σ——等效流動應力；ε——等效塑性應變；ε0——參考應變率；T——工件溫度；Troom——工件室溫；Tmelt——工件熔化溫度。

Ti6A14V 的機械和熱性能如表3 所示。

表3 Ti6Al4V 的材料常數(shù)Tab.3 Material constants for Ti6Al4V

有限元法廣泛應用于金屬切削加工中，可以對三級鉆頭的鉆削質量進行監(jiān)測。有限元法的應用不僅可以節(jié)約成本，提高效率，而且可以與實驗相互驗證。圖5 顯示了通過FEM 分析獲得的鉆孔Ti6Al4V 模型的示意圖。

圖5 有限元模型和約束的設置Fig.5 The setting of finite element models and constraints

根據(jù)式（6），超聲波輔助鉆孔的速度不同，它以近似函數(shù)曲線移動，受進給速度、速度、振幅和頻率的影響。該模擬中獲得的速度曲線如圖6所示。

圖6 超聲輔助鉆進速度隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curve of velocity with time in ultrasonic assisted drilling

3.3 實驗研究

圖7 鉆床實驗設備圖Fig.7 Drilling machine experimental equipment

考慮到定制鉆頭的材料，使用了3 種不同的進給速率（0.2，0.3，0.4 mm/r）。試驗在50 m/min的切削速度下進行。實驗加工參數(shù)如表4 所示。

表4 實驗加工參數(shù)Tab.4 Experimental parameters for drilling

4 結果與討論

4.1 鉆削軸向力的對比分析

臺階鉆的研究主要為研究復合材料的鉆削力、切屑形狀和層壓。在Ti6Al4V 的鉆孔中，發(fā)現(xiàn)在第1 個階梯之后的第2 個階梯上切削刃上的壓力相對較小[6]，因此改進后的臺階鉆分為3 步，希望研究用較低的鉆削力來切割鈦合金材料。

本文比較了常規(guī)鉆削（CD）和超聲輔助鉆削(UAD)時推力的變化。研究了麻花鉆和三臺階鉆在不同條件下的推力變化，如圖8 所示。在常規(guī)鉆削條件下，麻花鉆和三臺階鉆推力波動穩(wěn)定在230 N，而在超聲輔助鉆削條件下，三臺階鉆的波動很小，小于100 N。更換了幾組數(shù)據(jù)，比如將進給量調大，結果表明超聲輔助鉆削的鉆削推力遠小于常規(guī)鉆削的鉆削推力。

圖8 常規(guī)鉆削與超聲輔助鉆削下鉆削力的變化Fig.8 Variation of drilling force under conventional drilling and ultrasonic assisted drilling

本次研究關注了推力隨進給量與轉速變化的情況。通過模擬實驗分析，推力隨著進給量的增大而增大，如圖9 所示。其中，麻花鉆推力變化最大，超聲輔助鉆削下的三臺階鉆推力變化最小，與麻花鉆相比降低了22%～28%；隨著轉速增大推力降低，這些都符合鉆削推力變化的預期。綜上所示，超聲輔助鉆削能夠降低鉆削力。

圖9 鉆削力隨進給量和主軸轉速的變化情況Fig.9 Drilling force changes with feed rate and spindle speed

4.2 鉆削切屑形態(tài)對比分析

在相同鉆削條件下，超聲輔助三臺階鉆削產生的切屑從一開始就不同于其他2 種常規(guī)鉆削條件（CD）。超聲輔助鉆削（UAD）下的切屑厚度和長度變薄變短[7]，這主要是由于超聲輔助鉆削具有良好的斷屑機理。進給速度的變化導致鉆削方向周期性變化，鉆井溫度快速升降，進而改變工件性能，如強度和硬度，再次鉆孔時切屑很容易斷裂。如圖10 所示，在增加超聲輔助鉆削后發(fā)現(xiàn)，切屑在排出后不久就因進給速度變化而很快斷裂，而且切屑也變得很薄。在進給一段時候后，切屑形態(tài)不再是螺旋狀，而呈現(xiàn)帶狀。超聲輔助鉆削可以有助于切屑的斷裂和排出，對加工質量有積極影響。

圖10 常規(guī)鉆削與超聲輔助鉆削下的切屑形態(tài)的比較Fig.10 Comparison of chip morphology between conventional drilling and ultrasonic assisted drilling

如圖11 所示，在相同進給速度下，切屑厚度隨主軸轉速的增加而減小。

圖11 主軸轉速對切屑厚度的影響Fig.11 Effect of spindle speed on chip thickness

與傳統(tǒng)三臺階鉆削相比，超聲輔助三臺階鉆削切屑厚度減小了11.12%～18.03%。綜上所述，超聲輔助鉆削不僅可以破碎切屑，而且可以減小切屑厚度。

5 結語

本次研究重點對比了超聲輔助鉆削三臺階鉆頭與常規(guī)鉆削加工質量的優(yōu)劣，得到以下結論：（1）三臺階鉆鉆頭的推力明顯低于常規(guī)鉆頭；（2）超聲輔助鉆削三臺階鉆產生的切屑厚度比常規(guī)三臺階鉆減少了19.2%～26.1%；（3）由于超聲輔助鉆削的進給速度周期性變化，切屑變得更容易斷裂；（4）超聲輔助鉆削加工質量更好。此外，主軸轉速的提高也會影響切屑形態(tài)。