TC4鈦合金周向振動鉆削中麻花鉆后刀面磨損機理研究

陳應舒

1.陜西理工大學 機械工程學院, 陜西 漢中 723000;2．陜西省工業自動化重點實驗室, 陜西 漢中 723000

TC4鈦合金是一種優質的結構工程材料,因具有耐蝕性能優良、密度小、比強度高、韌性及焊接性、無磁性和生物兼容性好等一系列優點,已在航空航天、石油化工、造船、汽車、醫藥等領域得到了廣泛應用[1-2]。雖然TC4鈦合金具有上述諸多優點,但由于其導熱系數低、彈性恢復度大等特性,致使其成為了一種典型的難加工材料。加工時經常會出現切削溫度高、切削力大、刀具磨損嚴重等諸多問題[3-6]。尤其是在鉆孔、攻絲等半封閉式的切削加工時,會出現溫度聚集嚴重、斷排屑困難、鉆頭磨損嚴重甚至折斷等現象[7]。這不僅限制了鈦合金的應用潛力,而且影響加工效率、加工精度及工件表面質量和鉆頭使用壽命[8-9]。許多學者已經作了大量研究,但大多數方向集中在利用傳統鉆削加工過程的切削力、切削溫度以及前刀面與切削之間的摩擦等方面,對利用新的振動設備及工藝進行鉆削過程,特別是該過程中麻花鉆后刀面磨損情況的研究較少。劉東等[10]對TC4鈦合金進行正交切削實驗,得到了摩擦系數關于切削速度的線性方程,從而解決了有限元仿真過程中前刀面與切屑之間的摩擦問題。唐建等[11]研究發現在切削TC4鈦合金時,隨著前角的增大,主切削力和進給力明顯減小,隨著后角的增大,主切削力變化不大,進給力增大。因此傳統鉆削工藝在鉆削TC4時具有較大的局限性,采用新的設備及加工工藝方法來改善TC4的鉆削性能具有十分重要的研究意義。

低頻周向振動鉆削是一種新的精密特種加工技術,被廣泛應用于鈦合金切削加工領域。其關鍵技術是利用一種新型孔加工設備——低頻周向振動鉆床來完成鉆孔加工過程。該設備的主運動是一個勻速旋轉運動和一個沿著圓周方向按一定頻率和振幅擺動的受迫扭轉振動而形成的復合運動[12]。利用該設備進行鉆削加工時,由于主軸運動方式的改變,致使鉆削加工過程由傳統的連續切削過程變成了脈沖切削過程,這就改善了斷屑、排屑和散熱條件,為合理選擇振動參數及工藝參數,有效提高孔加工質量提供了可靠保障[13]。

然而在實際的孔加工過程發現,雖然通過合理選擇切削用量和振動參數能獲得提高孔加工質量的效果,但在工件材料、幾何尺寸、精度要求及工作時間等參數均相同的情況下,無論切削用量、振動參數如何選擇與優化,裝在該設備上使用的麻花鉆的后刀面總是比裝在普通鉆床上使用的麻花鉆的后刀面磨損速度快、磨損量大。這不僅縮短了麻花鉆的使用壽命,更會降低孔加工質量。為此,筆者以漢江工具責任有限公司生產的高速鋼麻花鉆為研究對象,利用課題組自己研制的周向振動鉆床,進行抽樣鉆削實驗,對高速鋼麻花鉆后刀面的磨損失效原因進行綜合分析,探討麻花鉆后刀面的磨損量與工藝參數及振動參數之間的關系,并基于正交實驗,對麻花鉆后刀面磨損的關鍵影響因素及磨損機理進行探究。

1.內凸輪;2.套筒;3.搖桿;4.轉臂;5.搖塊;6.輸出套圖1 周向振動激振器結構簡圖

1 周向振動鉆床的結構及傳動原理

2 實驗方案

2.1 實驗材料與裝置

(1)實驗材料:工件材料TC4。TC4的主要性能參數見表1。

表1 TC4鈦合金主要性能參數

圖3 鉆孔機實物圖

(2)機床與測量設備:實驗加工機床為課題組自己研制的全自動振動攻絲鉆孔機(圖3),主軸最高轉速為2 800 r/min,主軸功率1.1 kW;刀具磨損檢測設備為VMS-3020H全自動影像測量儀。

(3)麻花鉆:材料為W6Mo5Cr4V2-Co5的φ5高速鋼磨制麻花鉆。

(4)冷卻潤滑方式:乳化液,外冷。

2.2 實驗內容與方法

鉆削加工實驗均在20 ℃恒溫車間內進行。利用課題組的全自動振動攻絲鉆孔機,在振動器關閉(即周向振動未加入,機床工作狀態同普通鉆床)的狀態下,用φ5高速鋼麻花鉆鉆削TC4材料,分析切削速度、進給量、孔深對麻花鉆磨損的影響。采用L9(34)正交設計[15],以主切削刃后刀面磨損量VB為評價基準,實驗因素水平見表2。

利用課題組的全自動振動攻絲鉆孔機,在振動器打開(即加入周向振動)的狀態下,用φ5高速鋼麻花鉆鉆削TC4材料,分析周向振動的振幅、振動頻率、孔深對麻花鉆磨損的影響。采用L18(37)正交設計,以主切削刃后刀面磨損量為評價基準,實驗因素水平見表3。

表2 L9(34)實驗因素水平表

表3 L18(37)實驗因素水平表

3 實驗結果與分析

影響周向振動麻花鉆后刀面磨損的因素較多,主要包括:TC4工件材料與麻花鉆材料之間的摩擦系數,TC4材料的彈性恢復度,麻花鉆本身的硬度、強度與幾何參數和修磨方式、進給運動產生的壓力以及鉆孔過程中的冷卻方式等。普通鉆削和振動鉆削麻花鉆后刀面磨損實物圖如圖4所示。在其他條件都相同的條件下,鉆削10個孔后,麻花鉆后刀面的微觀幾何不平都被硬質點擠平或擦傷,刻畫出了深淺不一的溝痕,這符合硬質點磨粒切削的特征[16-17]。但比較圖4(a)、(b)后發現,圖4(b)所示的振動鉆削條件下使用的麻花鉆,其后刀面的溝痕更深,刻畫條數更多,擦傷面積更大。其原因主要是由于鉆削過程中加入了周向振動,以及TC4材料的彈性恢復度大、導熱系數低,導致麻花鉆后刀面在非加工狀態下與工件已加工表面持續接觸摩擦且溫度較高,加之進給運動的持續保持使麻花鉆后刀面與工件已加工表面之間的正壓力引起了較大的接觸應力[18]。由此可知,與普通鉆削不同,麻花鉆后刀面的主要磨損機理是磨粒磨損。

(a)普通鉆削 (b)振動鉆削圖4 不同鉆削條件下后刀面磨損實物圖

針對切削用量及周向振動參數對麻花鉆后刀面磨損的影響,本文采用正交對比實驗進行驗證。

3.1 無振動鉆削實驗結果及分析

當將全自動振動攻絲鉆孔機的振動器關閉時,機床工作在普通鉆床狀態,在此狀態下進行鉆孔正交實驗,實驗結果見表4。從表中可以看出:進給量的極差R(0.107 8)>孔深的極差R(0.106 0)>切削速度的極差R(0.104 1)。這表明在用普通方式進行鉆孔時,切削用量各參數中對麻花鉆主切削刃后刀面磨損影響最大的是進給量,影響最小的是切削速度,孔深的影響介于二者之間。

表4 L9(34)正交設計及實驗結果

進一步分析通過單因素實驗得到的圖5所示的無振動鉆削時主要參數對后刀面磨損量的影響關系可以看出:麻花鉆后刀面磨損量隨切削速度、孔深的增加而顯著增加;而進給量取中間值0.10 mm/r時,后刀面磨損量最小,取0.05、0.15 mm/r時,后刀面磨損量反而增大。這一實驗結果與實際生產過程十分相符。當被加工工件確定后,在選擇鉆孔切削用量時,借助資料、經驗或實驗等選擇合理的進給量,通過科學合理的工藝設計減小孔的深度并適當降低切削速度可有效降低麻花鉆后刀面的磨損,增加麻花鉆的使用壽命。

(a)切削速度 (b)進給量 (c)孔深圖5 無振動鉆削TC4時主要參數對后刀面磨損量的影響

3.2 周向振動鉆削實驗結果及分析

當全自動振動攻絲鉆孔機的振動器打開時,周向振動就被引入到鉆床工作過程中,在此狀態下進行鉆孔正交實驗,其實驗結果見表5。

表5 L18(37)正交設計及實驗結果

從表中可以看出:周向振動振幅的極差R(0.457 1)>周向振動頻率的極差R(0.146 2);進給量的極差R(0.133 8)>切削速度的極差R(0.123 3)。這表明:在振動參數中,周向振動的振幅影響最大、振動頻率次之;在工藝參數中,進給量對麻花鉆后刀面的磨損影響最大、切削速度次之。

周向振動鉆削TC4時主要參數對后刀面磨損量的影響如圖6所示。圖6表明在周向振動鉆削中,隨著進給量的增加,對麻花鉆后刀面的磨損急劇增加。這主要是由于麻花鉆在隨主軸一起回擺振動時,主軸的進給運動一直持續,麻花鉆后刀面與工件已加工表面之間的正壓力不斷增大且持續接觸摩擦所致。當孔深增加時,麻花鉆后刀面的磨損量也隨之增加,但不呈線性關系,且有變緩趨勢。圖6(c)、(d)可以明顯看出,周向振動的振幅增加,麻花鉆后刀面磨損量也隨之增加,且總體上比周向振動頻率的影響更大。周向振動頻率的變化與麻花鉆后刀面磨損量之間不呈線性關系,周向振動頻率取中間值37.5 Hz時,后刀面磨損量最小。

(a)進給量 (b)孔深

(c)振幅 (d)周向振動頻率圖6 周向振動鉆削TC4時主要參數對后刀面磨損量的影響

4 結語

在課題組研制的全自動振動攻絲鉆孔機上,對材料為W6Mo5Cr4V2Co5的高速鋼麻花鉆在鉆削TC4鈦合金過程中后刀面磨損問題進行了正交對比實驗,分析了麻花鉆后刀面磨損失效原因、探討了磨損機理,結果表明:

(1)磨粒磨損是周向振動用麻花鉆在鉆削TC4鈦合金過程中后刀面磨損的主要機理。周向振動鉆削TC4鈦合金時,由于麻花鉆回擺振動時主軸的進給運動一直持續,麻花鉆后刀面與工件已加工表面之間的正壓力不斷增大且持續接觸摩擦,加之TC4鈦合金的大彈性恢復及低導熱系數,兩者共同引起了麻花鉆后刀面在非加工狀態下與工件已加工表面接觸時間增長、接觸應力增大,加之鉆頭與工件之間所形成的半封閉空間致使散熱條件差、局部溫度過高,導致鉆頭與后刀面局部膠合后被撕裂所形成的硬質顆粒落入工件已加工表面與后刀面之間,形成了磨粒磨損的磨粒。顯微觀察也表明,麻花鉆后刀面的微觀幾何不平,被硬質點擠平或擦傷,刻畫出深淺不一的溝痕,這符合硬質點磨粒切削的特征。

(2)與普通鉆削相比較,當孔深相同時,在振動參數中,周向振動的振幅影響最大,振動頻率次之;在工藝參數中,進給量對麻花鉆后刀面的磨損影響最大,切削速度次之。

(3)周向振動參數及切削參數的合理選擇與匹配,可在一定程度上減緩周向振動鉆削用麻花鉆后刀面的磨損。