□ 王緒科

河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系 河南焦作 454000

1 試驗(yàn)背景

鈦合金作為一種具備抗高溫氧化、耐腐蝕、低彈性模量等多項(xiàng)優(yōu)異特性的合金材料,目前已經(jīng)在航空航天、高鐵、精密機(jī)械結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域廣泛使用[1-2]。當(dāng)然,鈦合金存在難加工問題。對(duì)鈦合金進(jìn)行切削加工時(shí),會(huì)出現(xiàn)溫度明顯升高現(xiàn)象,引起金相組織發(fā)生冷硬轉(zhuǎn)變,顯著增大切削作用力,最終導(dǎo)致刀具產(chǎn)生明顯的磨損缺陷[3-4]。

現(xiàn)階段,許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了振動(dòng)鉆削方面的研究工作,也取得了一定成果。陳碩等[5]重點(diǎn)研究振動(dòng)鉆削加工過程的切屑形成機(jī)理,在超聲振動(dòng)狀態(tài)下完成201不銹鋼的鉆削測(cè)試,深入分析切屑造成的影響。姚琦威等[6]在不同振幅下對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合鈦合金疊層材料開展低頻振動(dòng)鉆削測(cè)試,結(jié)果顯示,采用振動(dòng)鉆削可以實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合鈦合金疊層材料加工孔的孔壁質(zhì)量顯著優(yōu)化。

目前,只有少數(shù)學(xué)者開展了低頻振動(dòng)鉆削方面的分析。筆者使用麻花鉆對(duì)Ti600鈦合金進(jìn)行振動(dòng)鉆削試驗(yàn),比較分析不同加工參數(shù)下振動(dòng)鉆削方式和普通鉆削方式形成的切屑特征與切削力差異。

2 振動(dòng)鉆削運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

振動(dòng)鉆削時(shí),振動(dòng)施加方向分別為軸向振動(dòng)和周向振動(dòng)。相比周向振動(dòng),軸向振動(dòng)更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)孔壁質(zhì)量的控制。通過在刀具施加軸向振動(dòng)后,切削刃的刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示[7]。

圖1 軸向振動(dòng)鉆削切削刃刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

將振動(dòng)刀柄頻轉(zhuǎn)比設(shè)定為1.8,產(chǎn)生間斷切屑的a/s臨界值為0.81,其中,a為鉆頭振幅,s為鉆頭進(jìn)給量。

鉆孔過程中,a/s并不是越大越好,需要綜合考慮材料結(jié)構(gòu)特性與實(shí)際斷屑要求,在確保順暢排屑的條件下,調(diào)節(jié)a/s至與間斷切屑臨界值相近的狀態(tài),由此獲得更穩(wěn)定的鉆削性能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆頭工作狀態(tài)的優(yōu)化,獲得鉆頭更長(zhǎng)的使用壽命[8]。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所使用的測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。鉆頭位移通過單點(diǎn)激光測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)量,利用LMS振動(dòng)測(cè)試軟件采集振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)[9]。測(cè)力系統(tǒng)如圖3所示,主要由動(dòng)態(tài)測(cè)力儀、測(cè)力傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集器組成,實(shí)現(xiàn)鉆削力和扭矩的測(cè)試。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)

圖3 測(cè)力系統(tǒng)

鉆削試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。試驗(yàn)時(shí),鉆削速度為10 m/min,鉆頭振幅為0.15 mm,鉆頭進(jìn)給量為0.10 mm/r,鉆孔直徑為6 mm,鉆孔深度為18 mm。判斷鉆削力的變化情況,在給定的條件下分別測(cè)試三次,從得到的鉆削力波形中選擇穩(wěn)定鉆削階段中的數(shù)據(jù)計(jì)算均值。

圖4 鉆削試驗(yàn)平臺(tái)

4 試驗(yàn)結(jié)果

鉆削力波形如圖5所示,扭矩波形如圖6所示。常規(guī)鉆削方式下,鉆削力在入鉆階段(階段Ⅰ)發(fā)生突變。進(jìn)入穩(wěn)定鉆削階段(階段Ⅱ)之后,形成穩(wěn)定的鉆削力,同時(shí)波動(dòng)幅度減小。當(dāng)鉆孔深度增大后,形成無規(guī)律變化的鉆削力,這是由于鉆孔深度增大后,加工孔內(nèi)的切屑無法順利排出,受干式鉆削的影響,刀具上形成的積屑瘤使鉆削過程出現(xiàn)一定的波動(dòng)性[10]。

圖5 鉆削力波形

圖6 扭矩波形

振動(dòng)鉆削方式下,鉆削力大幅波動(dòng),形成比常規(guī)鉆削方式更大的鉆削力,可將其理解為在常規(guī)鉆削方式下新增一個(gè)動(dòng)態(tài)分量[11-12]。處于入鉆階段時(shí),發(fā)生軸向力的振蕩增大。進(jìn)入穩(wěn)定鉆削階段時(shí),達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的鉆削力。逐漸增大鉆孔深度時(shí),鉆頭扭矩明顯增大,產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是形成了具有正弦波特征的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡,麻花鉆橫刃部位從最初的普通鉆削楔劈擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠜_擊,進(jìn)入穩(wěn)定鉆削階段時(shí)形成具有正弦波變化特征的瞬時(shí)鉆削力,與常規(guī)鉆削方式相比,鉆削力動(dòng)態(tài)分量顯著增大,更容易生成切屑。經(jīng)過試驗(yàn)比較可知,振動(dòng)鉆削形成的鉆削力與扭矩均值相比常規(guī)鉆削方式減小10%～15%。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者進(jìn)行Ti600鈦合金振動(dòng)鉆削加工參數(shù)對(duì)鉆削力影響的試驗(yàn)分析,得到兩方面結(jié)果。

(1) 鉆孔深度逐漸增大時(shí),扭矩明顯增大。麻花鉆橫刃部位從最初的普通鉆削楔劈擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠜_擊,顯著提升橫刃的切削性能。

(2) 與常規(guī)鉆削方式相比,振動(dòng)鉆削鉆削力動(dòng)態(tài)分量顯著增大,更容易生成切屑。振動(dòng)鉆削形成的鉆削力與扭矩均值相比常規(guī)鉆削方式減小10%～15%。