李志慧，何云，趙錦章，任博遠(yuǎn)

1華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；2國(guó)宏工具系統(tǒng)(無(wú)錫)股份有限公司

1 引言

由α+β相組成的Ti6Al4V鈦合金具有良好的機(jī)械性能，具有較高的比強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和耐熱性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)、燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件[1]。但是Ti6Al4V在高溫下會(huì)表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高化學(xué)活性和低導(dǎo)熱性等固有特性，使其成為較難加工的材料，加工過(guò)程中工件材料易與刀具材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重和加工效率低[2]。鉆削加工作為一種難以實(shí)時(shí)觀測(cè)的加工方式，因鉆頭通常在半封閉狀態(tài)下切削，使得刀具與工件之間存在摩擦嚴(yán)重、切削溫度高、排屑困難等問(wèn)題。

韓榮第等[3]分析了加工不同材料時(shí)加工參數(shù)及鉆頭切削直徑對(duì)切削力及扭矩的影響，建立了切削力及扭矩的經(jīng)驗(yàn)公式。胡立湘等[4]通過(guò)鈦合金鉆削實(shí)驗(yàn)分析了加工參數(shù)對(duì)切削力、切屑形態(tài)和孔壁粗糙度的影響，并建立軸向鉆削力經(jīng)驗(yàn)公式；向志楊[5]對(duì)切屑折斷原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，分析了改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷屑的方法，并提出了軸向振動(dòng)斷屑法。S.Sharif等[6]對(duì)比了鉆削鈦合金時(shí)涂層與未涂層刀具的后刀面磨損及失效形式、切屑形貌的差異；田衛(wèi)軍等[7]通過(guò)有限元仿真模擬了鉆削過(guò)程中切削溫度的變化，分析了鉆頭切削直徑和加工參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響；Zhaoju Zhu等[8]通過(guò)鉆削鈦合金試驗(yàn)研究了切屑卷曲機(jī)理及切屑的三維形貌，并分析了不同切削參數(shù)對(duì)切屑長(zhǎng)度和剪切角的影響。

由于麻花鉆結(jié)構(gòu)和鉆削過(guò)程較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆削力、刀具磨損、切屑形貌及切削溫度等進(jìn)行了大量研究，但關(guān)于橫刃結(jié)構(gòu)對(duì)鈦合金鉆削性能影響的研究較少。本文選用四種不同鉆尖結(jié)構(gòu)的整體硬質(zhì)合金麻花鉆，通過(guò)有限元仿真和鉆削實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析鉆削TC4鈦合金過(guò)程中的切削力、前后刀面磨損、切削溫度及切屑形貌，并對(duì)刀具綜合切削性能進(jìn)行評(píng)述，該研究將為實(shí)際生產(chǎn)加工提供一定的理論支撐，有助于刀具的合理選用。

2 有限元仿真

本文通過(guò)AdvantEdge FEM 模擬仿真軟件對(duì)鈦合金進(jìn)行模擬切削，并采集鉆削力、溫度和應(yīng)力數(shù)據(jù)。通過(guò)Soildworks構(gòu)建四種不同鉆尖結(jié)構(gòu)的鉆頭三維模型，導(dǎo)入Third Ware AdvantEdge仿真軟件并定義邊界條件，刀具材料為硬質(zhì)合金，工件材料為T(mén)i6Al4V(TC4)，8mm×8mm×5mm方形結(jié)構(gòu)，材料物理性能見(jiàn)表1。刀具及工件的網(wǎng)格由軟件隨切削的進(jìn)行自動(dòng)劃分，網(wǎng)格劃分后的有限元模型見(jiàn)圖1。有限元仿真切削參數(shù)與實(shí)際切削參數(shù)保持一致：轉(zhuǎn)速n=2123r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.12mm/r，溫度為20℃。

表1 鈦合金Ti6Al4V的性能參數(shù)

TC4鈦合金材料由軟件默認(rèn)的Power Law本構(gòu)模型構(gòu)建，其函數(shù)表達(dá)式為

(1)

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括DMG MORI NVD5000立式加工中心、測(cè)力儀、采集器、放大器、轉(zhuǎn)換器和工裝夾具等(見(jiàn)圖2)。鉆削實(shí)驗(yàn)測(cè)力系統(tǒng)由Kistler9255C壓電式測(cè)力儀、5080型電荷放大器、5697型數(shù)據(jù)采集器和DynoWare測(cè)力儀軟件構(gòu)成。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)量x，y，z三個(gè)方向的鉆削力和扭矩，采樣頻率為2kHz。采用基恩士KEYENCE VHX- 6000超景深顯微系統(tǒng)和ZEISS掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)刀具磨損和切屑形貌進(jìn)行宏觀和微觀分析。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 實(shí)驗(yàn)刀具與材料

采用四種不同鉆尖結(jié)構(gòu)的整體硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，端面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，刀具幾何參數(shù)為切削直徑6mm，螺旋角30°，鉆尖角140°，鉆尖后角10°，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2，四種鉆尖端面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。工件材料采用100mm×100mm×40mm的TC4鈦合金。

圖3 整體硬質(zhì)合金麻花鉆端面結(jié)構(gòu)

表2 麻花鉆結(jié)構(gòu)參數(shù)表

(a)A型鉆頭

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

選用四種不同鉆尖結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金鉆頭，分別設(shè)為A、B、C、D。切削速度Vc=40m/min(轉(zhuǎn)速n=2123r/min)，進(jìn)給量f=0.12mm/r，鉆削深度ap=25mm，采用乳化液內(nèi)冷。切削力采集方式為每種鉆尖結(jié)構(gòu)連續(xù)鉆削10個(gè)孔，測(cè)量其軸向切削力并收集切屑，刀具磨損分別于鉆削至100，300，500，700，900孔時(shí)測(cè)量。

4 分析與討論

4.1 鉆削軸向力與扭矩分析

在鉆削過(guò)程中，鉆削軸向力通常被認(rèn)為是由橫刃擠壓、主切削刃切削和刃帶擠壓切削綜合作用的結(jié)果。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，刃帶產(chǎn)生的軸向切削力很小，大約占據(jù)切削力的5%～10%，主切削刃處產(chǎn)生的切削力約占據(jù)45%～50%，橫刃產(chǎn)生的切削力約占據(jù)50%。在鉆頭幾何參數(shù)相同的情況下，刀具刃口尚未磨鈍時(shí)，鉆削產(chǎn)生的軸向切削力差值主要是由橫刃結(jié)構(gòu)差異引起的。橫刃幾乎完全靠楔劈擠壓切入材料，導(dǎo)致工件發(fā)生塑性變形，并在刀具旋轉(zhuǎn)的作用下沿橫刃兩側(cè)滑動(dòng)，工件與刀具間的滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力增大了鉆頭進(jìn)給所需的軸向力，且由于鈦合金的彈性模量低，彈性回彈大，加大了橫刃切入所需軸向力，同時(shí)也增大了刃帶與孔壁間的摩擦力矩。

圖5為實(shí)驗(yàn)和仿真獲得的鉆削軸向力。可知，D型鉆頭的軸向力最大，A、B、C型鉆頭的軸向鉆削力較D型鉆頭分別減小約42.1%，54.5%，50.3%。通過(guò)對(duì)比四種鉆頭的仿真軸向切削力，與實(shí)驗(yàn)軸向力分別相差7.3%，15.5%，10.8%，14.2%，該差值位于可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)驗(yàn)證了有限元模型仿真的可靠性。

(a)A型鉆頭

橫刃長(zhǎng)度與橫刃斜角有關(guān)，一般情況下橫刃斜角越小橫刃長(zhǎng)度越長(zhǎng)。D型鉆頭的橫刃斜角較小，其橫刃長(zhǎng)度最長(zhǎng)，刀具旋轉(zhuǎn)時(shí)擠壓區(qū)域最大，負(fù)前角的齒隙面也會(huì)增大進(jìn)給時(shí)所需的軸向力，因而楔劈擠壓力也最大。由圖5d可知，D型鉆頭的軸向切削力約是其它鉆頭的兩倍。由于A型鉆頭橫刃斜角較大，橫刃長(zhǎng)度偏短，并且橫刃處為負(fù)前角，當(dāng)橫刃擠壓進(jìn)入工件材料時(shí)，負(fù)前角的齒隙面向下旋轉(zhuǎn)進(jìn)給會(huì)產(chǎn)生向下壓的趨勢(shì)，二者的相互作用導(dǎo)致切削軸向力增大。B型和C型橫刃結(jié)構(gòu)鉆頭較A型鉆頭橫刃長(zhǎng)0.1～0.2mm，從圖5可以看出，其軸向力卻比A型鉆頭小，這主要是由于B型和C型鉆頭橫刃處均為正前角，切削鋒利，當(dāng)鉆頭向下進(jìn)給時(shí)，工件與齒隙面之間的滑動(dòng)摩擦力會(huì)減小，進(jìn)而軸向切削力也會(huì)減小。

對(duì)比四種不同鉆尖結(jié)構(gòu)的切削力。當(dāng)橫刃較短時(shí)，橫刃前角是影響軸向力的主要因素；當(dāng)橫刃較長(zhǎng)時(shí)，橫刃前角的影響減小，橫刃長(zhǎng)度為影響切削力的主要因素。

4.2 磨損與失效分析

(1)后刀面及橫刃磨損

眾多學(xué)者的研究表明，在鉆削過(guò)程中，鉆頭外緣轉(zhuǎn)角處最容易磨損且擴(kuò)展速率最快[9]。圖6為四種鉆尖結(jié)構(gòu)鉆頭磨損變化曲線，隨著加工孔數(shù)的增加，切削刃外緣處后刀面的磨損量呈不斷增加趨勢(shì)。

圖6 后刀面最大磨損量

由圖6可以看出，C型鉆頭的后刀面VBmax最大，其次為B型鉆頭，A型和D型鉆頭VBmax相近且磨損較小。鉆頭主切削刃外緣在磨粒磨損、黏著磨損和化學(xué)磨損的綜合作用下導(dǎo)致磨損寬度逐漸增加，其中磨損帶沿切向方向有一條深色的燒傷帶，外緣處最寬，越靠近中心越窄，熱磨損是后刀面的主要磨損形式[9]。

圖7為四種鉆頭的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比分析。可以看出，鉆頭外緣轉(zhuǎn)角處的溫度最高，后刀面溫度沿垂直于主切削刃方向呈梯度下降。對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果可以看出，鉆頭后刀面磨損主要是由刀具與工件之間的剪切變形而產(chǎn)生，以鉆頭溫度與應(yīng)力分布呈現(xiàn)。由于橫刃靠近鉆頭的旋轉(zhuǎn)中心，其切削線速度幾乎為0，主要靠擠壓切入材料，材料受力變形并沿著徑向和切向流動(dòng)，進(jìn)而被主切削刃切削，故會(huì)在側(cè)隙面留下“S”形痕跡[10]。由于鈦合金強(qiáng)度高、彈性模量低及回彈較大，橫刃較短的A型鉆頭在鉆削時(shí)極易因強(qiáng)度不夠?qū)е聶M刃崩刃而失效。B型和C型鉆頭橫刃長(zhǎng)度有所加長(zhǎng)，強(qiáng)度也有所提高，但是橫刃處的前角比A型大，在一定程度上會(huì)削弱其強(qiáng)度，故B型和C型鉆頭橫刃沒(méi)有出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，而是在齒隙面處出現(xiàn)微小崩缺。D型鉆頭的橫刃較長(zhǎng)，強(qiáng)度較大，相同切削參數(shù)下只在橫刃兩端發(fā)生了輕微磨損，而較大的接觸面積使橫刃附近的其他區(qū)域產(chǎn)生粘屑現(xiàn)象。

圖7 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

(2)前刀面磨損

采用掃描電子顯微鏡分析四種鉆頭前刀面的磨損形貌(見(jiàn)圖8)。通過(guò)縱向?qū)Ρ人姆N鉆頭前刀面磨損，發(fā)現(xiàn)在切削刃附近均存在一定寬度的磨損帶，該磨損帶上靠近切削刃一側(cè)粘有切屑，另一側(cè)則與涂層相接。這是由于鉆頭進(jìn)行切削時(shí)，切屑不斷從前刀面流出，并在旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的共同作用下，與前刀面不斷擠壓和摩擦，導(dǎo)致切屑與工件接觸處的涂層因摩擦而脫落。

(a)

從圖中可以看出，鉆頭前刀面磨損在靠近鉆尖中心處較窄，在主切削刃中心處最寬。在鉆頭旋轉(zhuǎn)作用下，前刀面流出的切屑被卷曲成螺旋狀，鉆頭向下的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)使螺旋狀切屑沿著排屑槽向上排出，切屑與前刀面中間位置接觸時(shí)間較長(zhǎng)，摩擦較大，故涂層剝落較寬。通過(guò)觀察有限元仿真的前刀面可以發(fā)現(xiàn)，前刀面內(nèi)切削刃附近存在一定寬度的高壓力帶，而切削刃中間區(qū)域壓力面積最大，與實(shí)驗(yàn)鉆頭的前刀面磨損特征相符。

A型鉆頭前刀面磨損較寬，涂層脫落面積較大，黏屑現(xiàn)象也較為嚴(yán)重，這主要與主切削刃的形狀有關(guān)，其卷曲角最大，切削刃呈現(xiàn)出明顯的內(nèi)凹。B型鉆頭鉆削時(shí)，前刀面出現(xiàn)積屑瘤，這是因?yàn)榍行寂c前刀面的摩擦阻力較大，導(dǎo)致一部分切屑會(huì)滯留在前刀面處，高溫高壓作用下會(huì)黏附在前刀面上形成積屑瘤。C型鉆頭主切削刃處存在小崩口，這是由于材料中存在雜質(zhì)和硬質(zhì)點(diǎn)。D型鉆頭前刀面磨損與C型相似，主要表現(xiàn)為涂層脫落和粘屑，屬于正常磨損。

4.3 切屑形態(tài)

H.Schulz等[11]提出了一種量化鋸齒切屑變形程度的的指標(biāo)：Gs值，該值越大，切屑的變形程度越大，其計(jì)算公式為

(2)

式中，H1和H2分別為鋸齒的齒頂和齒根高度，測(cè)量方法見(jiàn)圖9。

圖9 切屑鋸齒高度測(cè)量方法

圖10是在Vc=40m/min，f=0.12mm/r下四種鉆頭切屑的微觀形貌，由于主切削刃不同位置的切削速度和卷曲角不同，切屑也表現(xiàn)出不同的特征。

圖10a～圖10d分別是切屑整體圖和自由表面不同位置的局部圖。對(duì)比四種鉆頭螺旋切屑的螺距可知，C型鉆頭的切屑螺距最長(zhǎng)，B型鉆頭的切屑螺距最短，A型鉆頭與C型鉆頭螺距相近，D型鉆頭切屑螺距長(zhǎng)度位于B型鉆頭與C型鉆頭之間；B型鉆頭鉆削時(shí)存在堵屑情況，導(dǎo)致切屑之間相互擠壓，螺距縮短，且切屑周邊處出現(xiàn)小“針刺”，主要是鉆削過(guò)程中堵屑導(dǎo)致一些不平衡的因素產(chǎn)生。同時(shí)，該鉆頭切屑撕裂情況也是最輕的，其撕裂長(zhǎng)度基本與第二切削刃長(zhǎng)度相同，故不易產(chǎn)生小碎屑；A型鉆頭切屑撕裂最為嚴(yán)重，其次為C型和D型，故這三款鉆頭的斷屑性能較B型鉆頭更好。

圖10 四種不同鉆尖結(jié)構(gòu)鉆頭鉆削TC4的切屑微觀形貌

四種切屑有一個(gè)共同的特點(diǎn)：切屑外緣呈鋸齒狀，中間和內(nèi)側(cè)呈鱗狀或者層狀結(jié)構(gòu)[8]。這是因?yàn)榍行甲钔饩壊糠峙c鉆頭外緣轉(zhuǎn)角處接觸，此處的切削線速度和前角最大，在進(jìn)給與旋轉(zhuǎn)的共同作用下最外緣處產(chǎn)生的切屑沿前刀面不斷卷曲，且卷曲程度隨卷曲角的增大而增大。切屑最內(nèi)側(cè)部分靠近旋轉(zhuǎn)中心，幾乎完全是擠壓狀態(tài)，此處軸向前角偏小，線速度接近于0，無(wú)法產(chǎn)生足夠的應(yīng)變來(lái)形成鋸齒。

對(duì)比四種鉆頭切屑周邊的鋸齒化程度可以發(fā)現(xiàn)，A型鉆頭與D型鉆頭切屑鋸齒化較嚴(yán)重，C型鉆頭其次，D型鉆頭切屑鋸齒化程度最小，但其齒距較小。這是因?yàn)锳型鉆頭與D型鉆頭卷曲角較大，切屑卷曲更嚴(yán)重，B型鉆頭卷曲角為負(fù)值，切削時(shí)形成的鋸齒還存在被二次擠壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致形成的鋸齒之間齒距較密。

A型和D型鉆頭切屑自由表面呈鱗狀結(jié)構(gòu)，B型和C型鉆頭切屑自由表面呈層狀結(jié)構(gòu)，這與切屑的流動(dòng)速度和齒隙面角度有關(guān)?？拷@頭旋轉(zhuǎn)中心，線速度很低，應(yīng)變很小，切屑的H1和H2值接近，故鋸齒化程度較低。A、D型鉆頭橫刃前角為負(fù)值，而B(niǎo)、C型鉆頭橫刃前角為正值，負(fù)前角會(huì)使切削層受齒隙面的擠壓變形更為嚴(yán)重，導(dǎo)致材料晶體剪切滑移變形增大，使得鋸齒間的距離增加。在切削速度和橫刃前角的綜合作用下，切屑自由表面的中間位置和內(nèi)側(cè)呈現(xiàn)出鱗狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。

鋸齒狀切屑對(duì)切削過(guò)程有很大影響，鋸齒越明顯，切削力變化越大，刀具將不斷承受交變載荷，極易發(fā)生損壞，刀具壽命降低，同時(shí)使已加工工件的表面粗糙度變差[5]。綜合對(duì)比不同鉆尖結(jié)構(gòu)鉆削TC4的切屑可以得出，C型鉆頭的切屑較好，鋸齒化程度較小，且螺旋切屑中每個(gè)單元的切屑更易斷裂成碎屑，便于排出，減小堵屑對(duì)刀具和孔壁造成的損傷。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比了四種不同鉆尖結(jié)構(gòu)的鉆頭鉆削TC4的切削性能，通過(guò)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析了切削力、前后刀面磨損、刀具壽命和切屑形貌。結(jié)果表明，四種鉆頭仿真鉆削力與實(shí)驗(yàn)鉆削力分別相差7.3%，15.5%，10.8%，14.2%，具有較好的一致性。其中，前后刀面磨損與仿真應(yīng)力、壓力、溫度云圖存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，溫度較高、應(yīng)力和壓力較大的位置磨損越嚴(yán)重。

(1)通過(guò)分析鉆削力與鉆尖結(jié)構(gòu)的關(guān)系可知，橫刃長(zhǎng)度和軸向前角對(duì)鉆削力有顯著的影響。當(dāng)橫刃較短時(shí)，前角對(duì)切削力的影響較大；當(dāng)橫刃較長(zhǎng)時(shí)，橫刃長(zhǎng)度為影響切削力大小的主要因素。

(2)通過(guò)對(duì)比分析鉆頭磨損發(fā)現(xiàn)，橫刃是決定鉆頭壽命的關(guān)鍵部位，橫刃較長(zhǎng)的D型鉆頭，其壽命最長(zhǎng)，磨損最小，但是切削力較大。因此在鉆削TC4時(shí)，橫刃選取0.3～0.4mm，可以減小鉆削力和提升刀具壽命。

(3)通過(guò)對(duì)比分析切屑的自由表面形貌和撕裂情況發(fā)現(xiàn)，C型鉆頭鋸齒化程度偏小、撕裂較大，易于形成碎屑，減少了堵屑情況的發(fā)生，有利于保護(hù)刀具和孔壁，故該鉆頭的綜合斷屑和排屑性能更好。