王明海 徐穎翔 鄭耀輝

(沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，遼寧 沈陽110136)

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，對工程結構材料性能的要求不斷提高，尤其在航天、航空、船舶等重要場合，傳統(tǒng)的單一組份材料已經很難滿足要求，因此，常用疊層材料代替單一材料來使用。疊層材料多由鋁合金、鈦合金及復合材料組成，它比單一材料具有更高的比強度。在裝配疊層材料過程中，需要大量的鉚接和螺接孔，為了保證裝配質量和裝配效率，應對疊層材料進行一次鉆孔，而不是分開鉆。商丘師范學院的張興華［1］對鈦合金Ti-6Al-4V和鋁合金7075-T6組成的雙金屬疊層材料進行了鉆削實驗研究，分析了疊層順序、壓緊力和切削參數(shù)對層間毛刺大小和微觀形態(tài)的影響。試驗結果表明疊層順序和壓緊力對層間毛刺的大小有顯著的影響，而主軸轉速和進給量對層間毛刺的高度影響不明顯。徐曉霞等人［2］利用田口正交試驗設計方法，通過對鋁合金2024-T3和7075-T6組成的層疊材料進行干式鉆削試驗，分析了疊層順序、預加載壓緊力、進給量和轉速對層間毛刺的影響，試驗表明預加載壓緊力和鉆削進給量對層間毛刺的大小影響較大。

德國研究學者B.Denkena［3］等人用銑刀采用螺旋銑削的加工路徑銑削復合材料/鈦合金疊層板構件，被加工孔的直徑可以通過數(shù)控編程控制螺旋銑削的路徑來實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的鉆削復合材料/鈦合金疊層板構件相比，螺旋銑削可以減少鈦合金的出口毛刺缺陷和復合材料的分層缺陷，其主要研究工作針對軸向進給速度Vf和切向進給速度Vc對銑削力和制孔質量的影響。Newton等人［4］和Melkote等人［5］對由2024-T351和7075-T6兩種鋁合金組成的疊層材料進行了鉆削實驗，認為刀尖角、壓緊方式和孔距壓緊源的距離對層間毛刺的形成有顯著影響，切削參數(shù)和刀尖形式有一定的影響，而鉆頭的磨損對毛刺大小的影響則很小。

本文通過對鈦合金TA15與鋁合金7075-T6組成的疊層結構進行試驗研究，分析切削參數(shù)對軸向力和扭矩的影響。并通過不同刀具材料的對比試驗，進行刀具磨損試驗，分析刀具磨損對切削軸向力的影響。

1 試驗

1.1 工件材料和刀具

試驗中工件選用的2種材料以及尺寸如下:

(1)選用鈦合金TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)材料，尺寸為120 mm×100 mm×12 mm;

表1 TA15和7075-T6材料的機械和物理性能

(2)選用鋁合金7075-T6材料，尺寸為120 mm×100 mm×12 mm。

這2種材料的機械性能如表1所示。

刀具選用Y330整體式硬質合金圓柱柄鉆頭，其直徑為8 mm，刀尖角為15°，螺旋角為30°，無涂層。

1.2 試驗設備

切削試驗設備包括:(1)沈陽機床股份有限公司出產的VMC850B三坐標立式加工中心;(2)YDX-Ⅲ9702型壓電式扭矩測力儀(配有8個安裝用的外六角螺釘M6×35);(3)SINOCERA YE5850型兩通道電荷放大器及相應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);(4)用Visual Basic6.0中文版編寫的切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)軟件;(5)電纜、臺式計算機1臺(Windows XP系統(tǒng))。

測力儀固定在工作臺上，并與電荷放大器連接，在加工過程中，將電荷信號傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而在切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)軟件中顯示出軸向力和扭矩的變化曲線。切削試驗設備實際連接情況如圖1所示。

1.3 試驗設計

疊層順序對層間毛刺根厚度和層間毛刺高度有顯著影響，Ti-Al疊層順序有助于減小毛刺的大小［1］。此外，如果選擇Al-Ti疊層順序進行鉆削，鋒利又未折斷的鈦合金切屑會粘在刀具表面，使得鋁合金板上孔徑增大，影響孔壁質量。因此，本文中，采用Ti-Al疊層順序進行試驗。

由于鉆頭為定尺寸刀具，所以只考慮主軸轉速和進給量的影響。在鉆削鈦合金時，過高的主軸速度會加劇刀具的磨損，增加切削溫度，影響加工質量。本文選取主軸轉速范圍150～250 r/min，進給量為0.06～0.12 mm/r。進行全面試驗，鈦鋁疊層材料鉆削試驗工藝參數(shù)設定如表2所示。

表2 鈦鋁疊層材料鉆削實驗工藝參數(shù)設定

2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

圖2所示鉆頭直徑8 mm，主軸轉速n=200 r/min，進給量f=0.06 mm/r的參數(shù)下鉆削過程軸向切削力變化曲線。從圖中可以看出:在a—b段，鉆頭逐漸切入鈦合金TA15，軸向切削力逐漸增大;隨著鉆頭主切削刃全部切入鈦合金后，在b位置軸向切削力達到最大值1 095 N，之后軸向力趨于穩(wěn)定，為964 N;隨著刀具繼續(xù)進給，在靠近鈦合金和鋁合金界面c點處，軸向切削力略有增大，達到1 071 N，此時鉆頭橫刃通過推擠作用加工鈦合金底層，再加上鈦合金和鋁合金切削加工性的巨大差異，引起刀具振動，從而導致軸向力的增大;接著鉆頭主切削刃切離鈦合金，切入鋁合金板，軸向切削力不斷減小，如圖中c—d段所示;d—f段為鉆頭完全切離鈦合金后，加工鋁合金的過程，這個階段軸向切削力相對穩(wěn)定，鉆頭穩(wěn)定切削的軸向力大約在510 N左右;f—g段曲線為鉆頭切離鋁合金過程，此時軸向切削力不斷減小，直至鉆頭切出工件，軸向力降為零。

改變切削參數(shù)如表2所示進行試驗，每一組參數(shù)重復測量兩次，并取切削穩(wěn)定階段進行分析，切削鈦合金時的軸向力和扭矩的變化曲線如圖3和圖4所示。

從鈦合金軸向力的變化曲線可以看出，進給量對軸向力的影響遠大于主軸轉速的影響，并且，隨著進給量的增加，軸向力明顯增大，因為進給量增加，切削厚度增大，故軸向力增大。主軸轉速對軸向力的影響相對小些，當進給量為0.06 mm/r、0.08 mm/r時，隨著主軸轉速的增加，軸向力略有減小;當進給量大于0.10 mm/r時，隨著主軸轉速增加，軸向力有時反而也略有增大，但總的趨勢仍是減小，這主要是因為鈦合金的導熱系數(shù)小，當主軸轉速增大時，切削溫度也隨之增加，從而使增大了軸向力。

鈦合金扭矩的變化曲線和軸向力大體一致，采取較小的進給量和適當?shù)闹鬏S轉速，能減小刀具受到的扭矩。由于硬質合金刀具具有較鋒利的切削刃，切削力變化較小，因此，扭矩的變化相對穩(wěn)定。

在加工鈦合金時，下層的鋁合金充當了天然的襯板，有助于減小軸向力和扭矩(鈦合金TA15單板鉆削時，軸向力達到1 200 N以上)，并提高加工質量。但是，加工過程中，長而鋒利的鈦合金切屑不利于自動化加工，并且影響已加工孔的孔壁質量。

圖5和圖6為加工鋁合金時軸向力和扭矩的變化曲線。從圖中可以看出，軸向力和扭矩的變化趨勢跟加工鈦合金時一致:減小進給量，提高主軸轉速均能減小軸向力和扭矩。由于鋁合金的導熱性能較好，切削熱能有效地散去，因此，即使采用較大的主軸轉速也不會導致切削溫度過高而引起軸向力和扭矩的增大。

3 刀具磨損試驗

為了對比在加工鈦/鋁疊層材料時，普通高速鋼和硬質合金Y330鉆頭的磨損情況?，F(xiàn)進行連續(xù)鉆削試驗，鉆削參數(shù)如下:刀具材料為硬質合金Y330和高速鋼，刀具直徑為8 mm，主軸轉速n=200 r/min，進給量f=0.10 mm/r。以鈦合金層的軸向力大小為刀具磨損指標，觀察隨著鉆孔數(shù)量的增加，軸向力的變化趨勢，如圖7所示。

由圖7中可以看出，硬質合金刀具受到的軸向力比高速鋼要小得多，并且，軸向力變化更平穩(wěn)。用高速鋼鉆削鈦/鋁疊層材料時，在連續(xù)加工了大約7個孔后，軸向力過大，刀具磨損較為嚴重，必須重新刃磨;而用硬質合金鉆孔時，在所加工的前50個孔中，軸向力變化比較穩(wěn)定，孔加工質量也較好，隨著鉆孔數(shù)量的繼續(xù)增加，軸向力增大較快，這主要是由于鉆頭上堆積的切削熱導致的，冷卻一段時間后，仍可以用于加工。通過比較可知，無論從刀具壽命還是軸向力大小，硬質合金Y330均具有更好的切削加工性。

4 結語

通過對鈦合金TA15與鋁合金7075-T6疊層材料鉆孔試驗，得到以下結論:

(1)進給量對軸向力和扭矩的影響較大，隨著進給量的增加，軸向力和扭矩也隨之增加。

(2)主軸轉速對軸向力和扭矩的影響較小，隨著主軸轉速增加，軸向力和扭矩略有減小;但是，此時切削溫度也隨之增加，刀具磨損加劇，又會使軸向力和扭矩增大。所以，主軸轉速要綜合考慮多個因素來選擇。

(3)采用不同刀具材料進行磨損試驗，通過軸向力大小和鉆孔數(shù)量比較，結果證明硬質合金Y330具有更好的切削加工性。

［1］張興華，鄭慧慧.金屬疊層材料層間毛刺形成的鉆削實驗研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2011(10):79-81.

［2］徐曉霞，胡永祥，姚振強.層疊鋁合金鉆削層間毛刺試驗研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2013(12):109-112.

［3］Denkena B，Boehnke D，Dege J H.Helical milling of CFRP-titanium layer compounds［J］.CIRPJournal of manufacturing Science and Technology，2008，1(2):64-69.

［4］Newton T R，Morehouse J，Melkote SN，et al.An experimental study of interfacial burr formation in drilling of stacked aluminum sheets［J］.Transactions of NAMRI/SME，2008，36:437-444.

［5］Melkote SN，Newton T R，Hellstern C，et al.Interfacial burr formation in drilling of stacked aerospace materials.Burrs-Analysis，Control and Removal［M］.Springer Berlin Heidelberg，2010:89-98.