階梯鉆鉆削鈦合金實驗

冷小龍 李鵬南 邱新義 牛秋林 李常平

(湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201)

文 摘 采用自主磨制的階梯鉆對鈦合金進行鉆削實驗，并與普通麻花鉆進行對比。分析了不同加工參數下的鉆削力、切屑形態、孔徑、孔壁表面粗糙度以及孔出入口毛刺。實驗結果表明：鉆削力隨著主軸轉速的增大而減小，隨著進給量的增大而增大。相比普通麻花鉆，階梯鉆產生的鉆削力更小，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

鈦合金具有強度高、密度小、力學性能好、韌性和抗蝕性能好、耐熱性好等優點，在飛機制造、航空發動機、汽車行業和醫療器械中應用的越來越廣泛[1]，但是鈦合金屬于典型的難加工材料，鉆削過程中出現很多制孔缺陷。關于如何提高鈦合金制孔質量，國內外學者做了很多研究。

刀具優化方面：趙毅湘等[2]研究了涂層刀具對鈦合金鉆削性能的影響，發現涂層刀具耐磨損性能好，表面粗糙度?。籑URAD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]研究發現增大鉆頭頂角，可以降低毛刺尺寸，排屑更順暢，孔質量更好；TAMURA等[5]用階梯鉆加工CFRP/TC4疊層板，討論了預鉆孔的直徑對孔質量的影響；國外的RENAULT-PEUET鉆頭(三傾角鉆頭)刀具結構簡單， 鉆削鈦合金時鉆削力減小了近一半，并且刀具耐用度高[6]；國內的群鉆改善了鉆削性能，修磨了橫刃，與普通麻花鉆相比，群鉆鉆削鈦合金時軸向力減少了40%左右[7]。

制孔工藝優化方面：WAQAR等[8]研究了進給速度和主軸轉速與加工面質量之間的相關性，并根據鉆孔直徑偏差，對出口毛刺高度和表面質量進行評估；S. SHARIIF等[9]研究了加工參數對鈦合金鉆削力的影響；胡立湘等[10]研究了切削用量對鈦合金切屑形態的影響，隨著進給量增大，切屑形態變為短螺旋形，此時排屑順暢；LI等[11]通過螺旋銑孔實驗，研究了刀具磨損對鉆孔質量的影響，主切削磨損會導致嚴重的出口毛刺；董輝躍等[12]對復合材料/鈦合金疊層板進行螺旋銑孔實驗，優化了加工參數，鈦合金孔出口無毛刺產生；另外，池建昌等[13]研制了一種鈦合金超聲振動鉆削裝置，實驗發現鉆削力比普通麻花鉆減少了41%；VIJAY等[14]對鈦合金進行電火花加工實驗，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。

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

1 實驗

1.1 工件材料和刀具

試驗材料為Ti6Al4V(TC4)，板厚為10 mm試驗刀具為普通麻花鉆(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合金，階梯鉆的棒料采用優質超細碳化鎢粉末為原料，具有高硬度、高抗彎強度、高耐磨性、高韌性等特性，其WC晶粒尺寸為0.2～0.3 μm，牌號為ST2F，刀具結構參數如表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第一階梯長度/mm第一后角/(°)第二后角/(°)螺旋角/(°)橫刃長度/mm階梯鉆130904.231220380.05普通麻花鉆118---10-300.20

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

1.2 測試儀器和實驗方案

鉆削實驗在KVC800/1立式加工中心上進行，該鉆削平臺還包括夾具和鉆削軸向力測量系統。采用超景深三維顯微系統(KEYENCE VHX-500FE)對孔進行觀察?？妆诒砻娲植诙炔捎肕arSurf M300表面結構測量儀進行測量。軸向力采用Kistler 9253B23三向壓電式測力儀進行測量，實驗采用干式鉆削方式。

鉆削實驗采用單因素實驗方案進行兩組實驗，主軸轉速n=700 r/min，進給量f=0.02，0.04，0.06，0.08 mm/r；進給量f=0.03 mm/r，主軸轉速n=500，700，900，1 100 r/min。每組參數進行兩次鉆削實驗，實驗數據結果取兩次實驗的平均值。

2 結果與分析

2.1 鉆削力分析

(1)進給量f對鉆削力的影響。圖2(a)是兩種鉆頭最大鉆削軸向力隨著進給量變化的曲線，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是相似的，主軸轉速不變，隨著進給量的增大，軸向力明顯增大。一方面是因為在鉆削過程中，進給量f增大，切削厚度hD增大[hD=(f/2)·sinβ]，軸向力Fz也會增大；另一方面由于進給速度增大，鉆頭每轉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，鉆削軸向力就會明顯增大。鉆削軸向力變化幅度很大，說明進給量對軸向力影響很大。

(2)主軸轉速n對鉆削力的影響。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是相似的，進給量不變，隨著主軸轉速的增大，軸向力略有減小。這是因為主軸轉速增大，鉆尖與工件材料接觸的時間減少，摩擦力也隨之減小，鉆削軸向力就會相應減小。同時主軸轉速增加后，刀具、切屑和工件之間的摩擦變得更加劇烈，鉆削區溫度逐漸升高，導致工件材質軟化，材料硬度降低，鉆削力隨之降低。鉆削軸向力變化幅度很小，說明主軸轉速對軸向力影響不是很大。

相同加工參數下，普通麻花鉆的鉆削力明顯大于階梯鉆，這是由于階梯鉆獨有的鉆頭結構導致的，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動，擠壓材料并沒有切削作用，因此會產生很大的軸向力，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變化曲線Fig.2 Changes of drilling force with the processing parameters of two drills

2.2 切屑形態分析

鈦合金變形系數小，切削回彈大，產生的切屑長而薄導致排屑不暢。圖3和圖4為不同參數下兩種鉆頭產生的切屑。對比兩種鉆頭的切屑形態，明顯發現普通麻花鉆產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。這是因為階梯鉆的切屑主要由第二主切削刃產生，第二主切削刃短于普通麻花鉆的切削刃的緣故。階梯鉆的切屑形態主要為均勻的帶狀和螺旋狀，切屑尺寸小。隨著進給量的增加，切屑厚度增大，階梯鉆的切屑形態由帶狀變為螺旋狀。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。隨著進給量的增加，切屑出現燒傷，這是因為排屑不暢導致切屑堵塞在螺旋孔，而切屑帶有大量的熱量，熱量積累進而燒傷切屑。

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

圖4 切屑形態隨進給量變化(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，幾乎同鉆頭直徑相同，且都在允許公差范圍內。普通麻花鉆鉆削的鈦合金孔徑值波動相差甚大，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、切屑形態和鉆削力是影響鈦合金板孔徑質量的主要因素。階梯鉆的切屑形態為寬度較小的帶狀和螺旋狀，同時階梯鉆的螺旋角為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；階梯鉆產生的鉆削力小，加工過程產生的振動小，鉆削平穩，對孔徑幾乎沒有影響。而普通麻花鉆的切屑形態為長且寬的帶狀和螺旋狀，鈦屑排出過程中會在孔內堆積，隨著鉆頭的轉動，鋒利堅硬的切屑會鉸傷孔壁，進而使孔徑變大；同時排屑不暢，勢必會使切屑溫度升高，切屑粘連在切削刃上參與切削，也會使孔徑變大；鉆削力大，導致機床加工過程不穩定，對孔徑也有很大影響。

2.4 孔壁表面粗糙度分析

表面粗糙度是衡量孔質量的重要指標，當鈦合金孔壁表面粗糙度Ra小于1.6 μm即為合格孔。圖6為不同加工參數下兩種鉆頭孔壁表面粗糙度對比圖。

兩種鉆頭的鉆孔表面粗糙度與進給量和主軸轉速都呈線性關系，表面粗糙度隨著進給量的增加而增大，這是因為在鉆削過程中，當進給量增加，使刀刃每轉鉆削厚度上升，鉆削力隨之增大，整個系統受到的沖擊力必然變大，鈦合金孔壁表面粗糙度隨之增加。隨著主軸轉速的增大，孔壁表面粗糙度逐漸減小，這是因為主軸轉速增大，鉆頭后刀面摩擦力減小，切削力就會相應減小，機床震動減小，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。這與鉆削力和鈦合金切屑形態有很大關系。首先，階梯鉆是具有優化鉆尖的鉆頭，特殊的鉆尖結構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，產生的機床系統振動小，孔壁表面粗糙度??；其次，階梯鉆產生的切屑容易排出孔外，鉆削過程中不會劃傷孔壁，而普通麻花鉆產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毛刺?？壮隹诜较蛎逃葹閲乐?。圖7和圖8為兩種鉆頭孔出入口毛刺形貌對比圖。通過對比可以發現，階梯鉆入口圓滑光整，幾乎沒有毛刺產生，出口有少量泊松毛刺產生。普通麻花鉆入口有毛刺產生，毛刺向工件里面凹陷，稱負毛刺，出口方向有明顯的翻轉毛刺產生并且有燒傷現象。這主要是是由于刀具結構影響，階梯鉆是鉆鉸復合刀具，第一主切削刃加工所產生出來的毛刺可以被第二主切削刃去除，當加工參數取合適值時，就可以抑制翻卷毛刺的產生，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，產生燒傷現象。

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

3 結論

本文采用自主磨制的階梯鉆對鈦合金材料進行鉆削實驗研究，可以得到以下結論:

(1)階梯鉆以其獨特的鉆頭結構，產生的鉆削力

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

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

(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，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。