整硬麻花鉆橫刃軸向前角對TC4鈦合金鉆削性能的影響研究

何云,吳張欣,李志慧,趙錦章

1華東理工大學機械與動力工程學院;2國宏工具系統(無錫)股份有限公司

1 引言

TC4鈦合金具有比強度高、耐熱性和耐腐蝕性較好等優點,被廣泛應用于航空航天、船舶和醫療器械等領域[1]。由于鈦合金存在導熱性差、切削溫度高和彈性模量較低等問題,導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,通過實驗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。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量,結果表明,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生了變化。趙洪兵等[5,6]通過深孔鉆削實驗證明合適的麻花鉆幾何結構和加工參數可以提升鉆削性能。Li R.等[7]通過有限元仿真的方法研究了刀具和鉆尖上應力和溫度的分布情況,并通過實驗驗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,結果顯示,實驗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學模型,確定了橫刃在加工過程中對切削力和扭矩的貢獻,并指出排屑干涉由鉆削扭矩和軸向力引起。馬文宇[10]通過實驗研究了整硬麻花鉆的刃型結構、槽型結構和主切削刃前角,發現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,其大小直接影響加工過程中的切削阻力,進而影響橫刃的強度和加工狀態。目前,國內外學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合金麻花鉆進行鉆削實驗,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 實驗研究

2.1 實驗設備

如圖1所示,實驗機床為DMG MORI NVD5000α1 HSC立式加工中心,測力系統由9255C型測力計、5080A型電荷放大器、5697A型數據采集系統以及DynoWare數據采集和評估軟件組成,采用Keyence VHX-6000超景深三維顯微系統和蔡司EVO18鎢燈絲掃描電鏡對切屑形貌以及刀具磨損進行分析。

圖1 鉆削實驗系統

2.2 實驗刀具與材料

采用三款不同軸向前角的定制整硬內冷麻花鉆進行實驗,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 三款鉆頭橫刃結構參數

圖2 三款鉆頭鉆尖端面

2.3 實驗方法

選用三款不同橫刃軸向前角的鉆頭,切削速度Vc=40m/min,進給量f=0.12mm/r,鉆削深度25mm,采用乳化液內冷。實驗過程如下: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 實驗結果與分析

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。這是因為隨著鉆削深度增加,排屑變難,導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,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進行,受到擠壓的切屑得到排出,導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生軸向的分力,先生成的切屑在后續生成切屑的推動下,源源不斷向上排出,若鉆削過程中生成的切屑形狀不規則,也會發生堵屑,從而導致切削力增大。C1鉆頭軸向前角為正值,大小為4°,在鉆頭旋轉進給的過程中,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、穩定;負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為鉆尖整體結構,圖5b為橫刃部位磨損,圖5c為內刃部分磨損,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生了崩刃現象。C1鉆頭的橫刃部位存在一定的涂層脫落以及黏著磨損,橫刃和內刃交界處存在微崩刃現象,內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重,后刀面磨損寬度為73μm,崩口寬度為211μm,產生這種現象的原因是主切削刃外緣部分切削速度大,摩擦磨損嚴重,產生的切削熱較多,在切削阻力和熱應力的共同作用之下發生崩刃。C2鉆頭橫刃部位發生了輕微的涂層脫落以及黏屑現象,內刃后刀面磨損寬度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鉆頭橫刃部位發生了比較嚴重的黏著磨損,橫刃節圓區域有較多黏屑,橫刃刃口有微小崩刃,內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的鉆頭壽命實驗結果如圖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)。對比三款鉆尖實驗前后的圖像,隨著橫刃軸向前角增大,橫刃處產生微崩刃現象。

圖6 三款鉆頭壽命對比

負的軸向前角在旋轉進給時切削阻力大,橫刃擠壓進入工件材料的內部,積聚的切屑擠壓在橫刃兩側的后刀面上,相比于正軸向前角,切屑的擠壓更加嚴重,但是負前角鉆尖的應力集中現象得到改善,鉆尖強度更大。正軸向前角的鉆尖切削刃鋒利,但是鉆尖強度偏小,鉆尖應力集中現象更為明顯,易導致崩刃。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度的關系。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 切屑形態分析

圖7為C1,C2,C3三款鉆頭鉆削實驗得到的切屑形貌,三款鉆頭產生的切屑在整體上差距很小,都呈現為單元狀的碎小切屑。對比三款鉆頭產生的切屑體積大小,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

將實驗得到的三款鉆頭的切屑分別放入掃描電鏡中進行微觀取樣和測量,如圖8所示。C1鉆頭產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象,切屑邊緣比較光滑,切屑背部呈現鋸齒狀,切屑自由表面的中間部位呈現出山巒狀,切屑自由表面根部表現出溝壑狀,排屑效果相對較好。C2鉆頭產生的切屑間距約為3.1mm,相較于C1鉆頭有所減小,切屑的外緣處伴隨“針刺”的現象,這種現象對切削過程會產生不利影響,可能引發刀具的過度磨損;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為山巒狀,切屑存在擠壓現象。C3鉆頭的切屑間距在三種切屑當中最小,為2.2mm,這說明C3鉆頭的排屑較困難,切屑擠壓現象明顯;切屑自由表面外緣處鋸齒明顯,中間部位呈現出鱗狀結構,產生這種結構的原因是自由表面形成的鋸齒在擠壓作用下相互融合,從而形成很多不規則且溝壑不明顯的結構。

圖8 三款鉆頭切屑掃描電鏡微觀分析

4 結語

(1)通過對比分析鉆削軸向力發現,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生了崩刃現象。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生的切屑形態發現,三款鉆頭的切屑形態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”現象,會引發刀具的過度磨損;C3鉆頭排屑較困難,切屑擠壓現象明顯。