何云,吳張欣,李志慧,趙錦章

1華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院;2國宏工具系統(tǒng)(無錫)股份有限公司

1 引言

TC4鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱性和耐腐蝕性較好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1]。由于鈦合金存在導(dǎo)熱性差、切削溫度高和彈性模量較低等問題,導(dǎo)致其切削加工性能差,加工效率低,屬于典型的難加工材料,并且鉆削具有半封閉性,加工工況更加惡劣[2]。因此,在TC4鈦合金的鉆削加工中,存在鉆削力大、溫度高、刀具磨損嚴(yán)重和壽命短等問題。

張春江[3]分析了鈦合金加工困難的原因,通過實(shí)驗(yàn)證明修磨鉆尖可以減小軸向力,提高刀具壽命,同時給出了合理的鉆削參數(shù)。Cantero J.L.等[4]研究了干式切削條件下鉆頭磨損過程、加工精度以及表面質(zhì)量,結(jié)果表明,使用麻花鉆在干式切削條件下鉆削TC4鈦合金時,孔的表面粗糙度、孔徑偏差等較好,但是孔表面的微硬度和晶向發(fā)生了變化。趙洪兵等[5,6]通過深孔鉆削實(shí)驗(yàn)證明合適的麻花鉆幾何結(jié)構(gòu)和加工參數(shù)可以提升鉆削性能。Li R.等[7]通過有限元仿真的方法研究了刀具和鉆尖上應(yīng)力和溫度的分布情況,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了切削液對溫度的控制有重要作用,可有效防止鉆頭磨損。Huang C.H.等[8]研究了Ti6Al4V鈦合金鉆削時的熱流分布,并利用有限元軟件建立了鉆頭溫度分布的仿真模型,結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)和有限元仿真誤差小于10%。Waston A.R.[9]建立了麻花鉆的切削刃和角度之間的數(shù)學(xué)模型,確定了橫刃在加工過程中對切削力和扭矩的貢獻(xiàn),并指出排屑干涉由鉆削扭矩和軸向力引起。馬文宇[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了整硬麻花鉆的刃型結(jié)構(gòu)、槽型結(jié)構(gòu)和主切削刃前角,發(fā)現(xiàn)主切削刃的前角分布情況對切削力的影響占比較大,前角增長型的鉆頭鉆削性能更好。

麻花鉆橫刃軸向前角位于橫刃兩側(cè),其大小直接影響加工過程中的切削阻力,進(jìn)而影響橫刃的強(qiáng)度和加工狀態(tài)。目前,國內(nèi)外學(xué)者對于麻花鉆橫刃軸向前角對鈦合金切削性能影響的研究較少。本文選用3款定制的不同軸向前角的整體硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn),研究不同軸向前角對鉆削軸向力、刀具磨損、刀具壽命以及切屑形態(tài)的影響,該研究可為麻花鉆高效加工TC4鈦合金提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖1所示,實(shí)驗(yàn)機(jī)床為DMG MORI NVD5000α1 HSC立式加工中心,測力系統(tǒng)由9255C型測力計、5080A型電荷放大器、5697A型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及DynoWare數(shù)據(jù)采集和評估軟件組成,采用Keyence VHX-6000超景深三維顯微系統(tǒng)和蔡司EVO18鎢燈絲掃描電鏡對切屑形貌以及刀具磨損進(jìn)行分析。

圖1 鉆削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)刀具與材料

采用三款不同軸向前角的定制整硬內(nèi)冷麻花鉆進(jìn)行實(shí)驗(yàn),三款鉆頭的軸向前角分別為-4°,0°,4°,鉆削直徑6mm,鉆尖角選用140°,螺旋角為30°,齒隙角為35°,鉆尖第一后角為10°,第二后角為23°,切削刃的刃口鈍化值為0.03～0.035mm。將三款鉆頭分別編號為C1,C2,C3,除軸向前角不同外,其他橫刃參數(shù)均相同(見表1),鉆尖端面如圖2所示。工件材料為TC4鈦合金,工件尺寸為100mm×100mm×40mm,未熱處理,硬度為32～36HRC。

表1 三款鉆頭橫刃結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 三款鉆頭鉆尖端面

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

選用三款不同橫刃軸向前角的鉆頭,切削速度Vc=40m/min,進(jìn)給量f=0.12mm/r,鉆削深度25mm,采用乳化液內(nèi)冷。實(shí)驗(yàn)過程如下:使用3把刀具依次鉆削10個孔,求取每把鉆頭的平均切削力并收集切屑;每把鉆頭連續(xù)鉆削至失效,期間每50孔拍照取樣一次,觀察鉆頭磨損與崩刃情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鉆削軸向力分析

三款鉆頭的鉆削軸向力對比如圖3所示,其中,C3鉆頭的軸向切削力最大,為744N;C2鉆頭次之,其軸向切削力大小為686N,C1鉆頭的軸向切削力最小,為644N。C2的軸向力比C1增加了6.5%;C3的軸向力比C2增加了8.5%。

圖3 三款鉆頭軸向鉆削力對比

三款鉆頭在不同鉆削深度下的軸向切削力及其變化幅度如圖4所示?？梢钥闯?隨著鉆削深度的增加,C1,C2,C3三款鉆頭的軸向切削力均增加。這是因?yàn)殡S著鉆削深度增加,排屑變難,導(dǎo)致軸向切削力不斷增加。

圖4 三款鉆頭不同鉆削深度的切削力及變化幅度

對比三款鉆頭前半段與后半段鉆削深度下的切削力變化幅度,三款鉆頭切削深度為15～25mm時的切削力增長幅度均高于切削深度為5～15mm時的切削力增長幅度。C1和C2兩款鉆頭變化幅度整體相似,C3鉆頭前半段與后半段切削深度下的切削力增長幅度均最大,C3鉆頭在切削深度為5～25mm時的切削力變化幅度約為C1和C2鉆頭的2倍。這與橫刃軸向前角有關(guān),C3鉆頭的軸向前角為-4°,在鉆削加工過程中,加工形成的切屑在流出時會受到負(fù)角度前刀面的擠壓作用,排出時受到較大阻力,隨著鉆削過程的持續(xù)進(jìn)行,受到擠壓的切屑得到排出,導(dǎo)致形成的切削力不斷波動。C2鉆頭為0°軸向前角,在鉆削加工過程中,前刀面垂直于工件的被加工表面,前刀面不會對切屑產(chǎn)生軸向的分力,先生成的切屑在后續(xù)生成切屑的推動下,源源不斷向上排出,若鉆削過程中生成的切屑形狀不規(guī)則,也會發(fā)生堵屑,從而導(dǎo)致切削力增大。C1鉆頭軸向前角為正值,大小為4°,在鉆頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)給的過程中,前刀面不斷推動切屑向上排出,減小堵屑的可能性,同時,軸向切削力波動較小,整體切削力變化較小。

綜上所述,正軸向前角的麻花鉆切削時相對更鋒利,切削阻力小,軸向切削力變化較小,排屑更加順暢、穩(wěn)定;負(fù)軸向前角的麻花鉆在鉆削過程中軸向力會增大,排屑更困難。

3.2 磨損與壽命分析

圖5為使用蔡司掃描電鏡拍照取樣得到的鉆尖磨損。其中,圖5a為鉆尖整體結(jié)構(gòu),圖5b為橫刃部位磨損,圖5c為內(nèi)刃部分磨損,圖5d為外刃中間部位磨損,圖5e為主切削刃外緣部位磨損?？梢钥闯?三款鉆頭的橫刃部分都保持得相對比較完好,主切削刃最外緣部位都產(chǎn)生了崩刃現(xiàn)象。C1鉆頭的橫刃部位存在一定的涂層脫落以及黏著磨損,橫刃和內(nèi)刃交界處存在微崩刃現(xiàn)象,內(nèi)刃后刀面磨損寬度為46μm,切削刃上有較多切屑黏著,外刃中間部位后刀面磨損寬度為36μm,并伴隨少量的切屑堆積,主切削刃外緣部位崩刃較嚴(yán)重,后刀面磨損寬度為73μm,崩口寬度為211μm,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是主切削刃外緣部分切削速度大,摩擦磨損嚴(yán)重,產(chǎn)生的切削熱較多,在切削阻力和熱應(yīng)力的共同作用之下發(fā)生崩刃。C2鉆頭橫刃部位發(fā)生了輕微的涂層脫落以及黏屑現(xiàn)象,內(nèi)刃后刀面磨損寬度24μm,外刃中間部位磨損寬度22μm,切削刃上產(chǎn)生了積屑瘤,主切削刃外緣部位磨損寬度為28μm,與C1鉆頭相似,也存在較大的崩口,崩口寬度為101μm。C3鉆頭橫刃部位發(fā)生了比較嚴(yán)重的黏著磨損,橫刃節(jié)圓區(qū)域有較多黏屑,橫刃刃口有微小崩刃,內(nèi)刃后刀面磨損寬度為61μm,外刃中間部位后刀面磨損寬度為42μm,切削刃上有較多黏屑,易形成積屑瘤,主切削刃外緣部位磨損寬度為130μm,與前兩款鉆頭不同,C3鉆頭的主切削刃外緣部位只發(fā)生了微小崩刃,同時,后刀面上存在較多黏屑。

圖5 鉆尖磨損掃描電鏡形貌

C1,C2,C3的鉆頭壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,其中,C1鉆頭的壽命最長(1800孔),C2鉆頭的壽命次之(1750孔),C3鉆頭的壽命最短(1550孔)。對比三款鉆尖實(shí)驗(yàn)前后的圖像,隨著橫刃軸向前角增大,橫刃處產(chǎn)生微崩刃現(xiàn)象。

圖6 三款鉆頭壽命對比

負(fù)的軸向前角在旋轉(zhuǎn)進(jìn)給時切削阻力大,橫刃擠壓進(jìn)入工件材料的內(nèi)部,積聚的切屑擠壓在橫刃兩側(cè)的后刀面上,相比于正軸向前角,切屑的擠壓更加嚴(yán)重,但是負(fù)前角鉆尖的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到改善,鉆尖強(qiáng)度更大。正軸向前角的鉆尖切削刃鋒利,但是鉆尖強(qiáng)度偏小,鉆尖應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯,易導(dǎo)致崩刃。軸向前角為0°時,鉆尖的切削性能位于二者之間,可以平衡切削刃鋒利程度與鉆尖強(qiáng)度的關(guān)系。綜上對比分析可以推斷出,在一定程度上正橫刃軸向前角可以提升鉆頭壽命。

3.3 切屑形態(tài)分析

圖7為C1,C2,C3三款鉆頭鉆削實(shí)驗(yàn)得到的切屑形貌,三款鉆頭產(chǎn)生的切屑在整體上差距很小,都呈現(xiàn)為單元狀的碎小切屑。對比三款鉆頭產(chǎn)生的切屑體積大小,C1鉆頭的切屑更小,切屑小端處斷口更整齊,斷屑效果相對更好。

(a)C1

(c)C3

將實(shí)驗(yàn)得到的三款鉆頭的切屑分別放入掃描電鏡中進(jìn)行微觀取樣和測量,如圖8所示。C1鉆頭產(chǎn)生切屑的間距在三款鉆頭中最大,約為4.1mm,切屑根部存在撕裂現(xiàn)象,切屑邊緣比較光滑,切屑背部呈現(xiàn)鋸齒狀,切屑自由表面的中間部位呈現(xiàn)出山巒狀,切屑自由表面根部表現(xiàn)出溝壑狀,排屑效果相對較好。C2鉆頭產(chǎn)生的切屑間距約為3.1mm,相較于C1鉆頭有所減小,切屑的外緣處伴隨“針刺”的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象對切削過程會產(chǎn)生不利影響,可能引發(fā)刀具的過度磨損;齒隙根部切屑變形較大,有利于斷屑;切屑背面為鋸齒狀,切屑自由表面的中間部位和根部都呈現(xiàn)為山巒狀,切屑存在擠壓現(xiàn)象。C3鉆頭的切屑間距在三種切屑當(dāng)中最小,為2.2mm,這說明C3鉆頭的排屑較困難,切屑擠壓現(xiàn)象明顯;切屑自由表面外緣處鋸齒明顯,中間部位呈現(xiàn)出鱗狀結(jié)構(gòu),產(chǎn)生這種結(jié)構(gòu)的原因是自由表面形成的鋸齒在擠壓作用下相互融合,從而形成很多不規(guī)則且溝壑不明顯的結(jié)構(gòu)。

圖8 三款鉆頭切屑掃描電鏡微觀分析

4 結(jié)語

(1)通過對比分析鉆削軸向力發(fā)現(xiàn),橫刃軸向前角對鉆削軸向力有顯著影響。正軸向前角切削更鋒利,切削阻力小;負(fù)軸向前角刃口較鈍,切削阻力相對較大;0°軸向前角的切削阻力介于兩者中間。

(2)通過對比三款鉆頭的磨損與壽命可知,三款鉆頭的橫刃部位都保持得相對較完好,主切削刃最外緣部位都產(chǎn)生了崩刃現(xiàn)象。4°,0°,-4°三款鉆頭的壽命依次降低,說明正軸向前角一定程度上可以提升麻花鉆壽命。

(3)通過研究三款鉆頭產(chǎn)生的切屑形態(tài)發(fā)現(xiàn),三款鉆頭的切屑形態(tài)都為單元狀的碎小切屑。C1,C2,C3鉆頭切屑的間距依次減小,C1鉆頭切屑的排屑效果相對較好;C2鉆頭切屑的外緣處有“針刺”現(xiàn)象,會引發(fā)刀具的過度磨損;C3鉆頭排屑較困難,切屑擠壓現(xiàn)象明顯。