TC4-DT鈦合金鉆削表面完整性研究

項國輝，歐陽金棟，劉慧慧，王艷麗

（1.空軍裝備部駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業洪都，江西 南昌,330024）

0 引言

損傷容限型TC4-DT鈦合金在保持高強度前提下有效的提升了斷裂韌性與裂紋擴展速率等損傷評價指標，已成為航空飛行器重要的損傷容限結構材料[1-3]。表面完整性是影響損傷容限的重要因素之一，其包含了表面形貌特征及表面層特征兩個方面，其中粗糙度、波紋、殘余應力、裂紋、晶間腐蝕等均是表面完整性評價的重要指標[4]。金屬切削加工過程中，在刀具作用下導致材料切削表面的應力、應變以及溫度等產生了復雜的變化，直接影響了材料表面的殘余應力分布以及粗糙度等表面完整性指標[5]。

Parida通過試驗及有限元分析研究了TC4鈦合金鉆削中切削速度及進給量對刀具受力、應力、應變及溫度的影響[6]。Shetty等試驗研究了不同鉆削速度、進給量以及不同鉆頭頂尖角對于TC4鈦合金鉆削后表面粗糙度及切屑厚度的影響規律[7]。劉超杰進行了鈦基復合材料高速磨削加工磨削力仿真分析，驗證了模型的準確性[8]。Chatterjee等通過模擬及試驗方法獲取了不同鉆削參數對TC4鈦合金鉆削的切削力及鉆孔圓度，并建立了經驗模型預測相關鉆削結果，通過和聲搜索算法進行鉆削工藝參數優化[9]。陳杰及廖科偉等分別通過試驗及模擬研究了TC4鈦合金深孔鉆削過程中切削速度、進給量等工藝參數對于刀具受力、鉆孔圓度、表面粗糙度等的影響規律，并獲得了優化的鉆削參數[10-11]。王明海等對TC4鈦合金切削表面殘余應力進行了模擬研究，分析了刀具刃口及材料變形對切削表面殘余應力及表面質量的影響[5]。楊成云等建立了TC4鈦合金銑削有限元模型，研究了切削速度、切削深度等對表面殘余應力的影響，通過回歸模型及遺傳算法進行了切削參數優化[12]。

目前針對損傷容限型TC4-DT鈦合金鉆削工藝研究較少，對于TC4-DT鈦合金鉆削工藝參數對表面完整性的影響規律尚不明確。本文以TC4-DT鈦合金試驗材料，采用不同材質、直徑的麻花鉆頭進行鉆削試驗，對不同鉆削速度下成孔后周邊殘余應力以及成孔表面粗糙度進行試驗分析，研究TC4-DT鈦合金麻花鉆鉆削工藝對表面完整性影響規律，建立有限元仿真模型預測鉆削后的殘余應力分布，為優化鉆削工藝參數、提高鉆削質量提供依據。

1 鉆削試驗研究

1.1 試驗方案

本研究中采用退火態TC4-DT鈦合金，其化學成分如表1所示。

試驗所采用的鉆削試樣規格為60×50×10mm。鉆削試驗采用Z5140B方柱立式鉆床。鉆削試樣及其定位裝夾如圖1所示。

表1 TC4-DT鈦合金化學成分

圖1 TC4-DT鈦合金鉆削試樣及其定位裝夾

鉆削試驗中分別采用硬質合金YG6X及HSS高速鋼鉆頭對TC4-DT試樣進行鉆削模擬研究，進給量為0.056 mm/r，試驗方案如表2所示。

表2 鉆削試驗方案

采用YE2539高速靜態應變儀、BSF120-1.5CA-T型應變花及臺式鉆床(見圖2），應用小孔法對TC4-DT鈦合金不同鉆削工藝參數的試樣進行殘余應力測試，小孔直徑為2a，鉆孔深度為1.8mm，相應殘余應力計算公式為：

每個試樣上測試三個點，分別在距離鉆孔邊緣5mm、8mm、13mm進行測試，為了準確的得到測點殘余應力，采用三次重復試驗取平均值。

圖2 小孔法測殘余應力

采用Mahr Perthometer M1便攜式粗糙度測量儀進行內孔表面粗糙度測量（見圖3）。

圖3 TC4-DT鉆孔表面粗糙度測量

1.2 試驗結果與分析

圖4為不同鉆削條件下孔周圍殘余應力沿孔徑向的分布情況結果。不同條件鉆削后孔周圍的平面殘余應力σ1、σ2沿著孔的徑向分布為先減小后增大；隨著鉆削工藝線速度的增大，鉆后孔周圍的平面殘余應力σ1、σ2均呈減小的趨勢；隨著鉆頭直徑的增加，鉆削后孔周邊的殘余應力呈下降趨勢；硬質合金刀具鉆削后孔周圍的殘余應力相比高速鋼刀具鉆削后的殘余應力更大。

由圖5不同鉆削條件下孔內表面粗糙度測量結果可知：采用高速鋼鉆頭、鉆削速度為11m/min及31m/min和采用硬質合金鉆頭、鉆削速度為11m/min及31m/min，鉆得直徑為φ15mm的孔的粗糙度最小分別為 Ra=0.75 μm、Ra=0.63 μm 和 Ra=0.67 μm、Ra=0.88 μm；采用高速鋼鉆頭、鉆削速度為22m/min和采用硬質合金鉆頭、鉆削速度為22m/min，鉆得直徑為φ18mm的孔的粗糙度最小分別為Ra=0.71 μm和 Ra=0.63 μm。

圖4 不同鉆削條件下孔周圍殘余應力沿孔徑向的分布情況

圖5 不同鉆削條件下孔內表面粗糙度

分別采用高速鋼和硬質合金鉆頭對TC4-DT鈦合金鉆φ10mm的孔時，鉆削速度分別為31m/min時，測得的粗糙度最小分別為Ra=0.73 μm和Ra=0.76 μm；由圖可知分別采用高速鋼和硬質合金鉆頭對TC4-DT鈦合金鉆φ15mm的孔時，鉆削速度分別為31m/min和 11m/min時，測得的粗糙度最小分別為Ra=0.63 μm和Ra=0.67 μm；由圖可知分別采用高速鋼和硬質合金鉆頭對TC4-DT鈦合金鉆φ18mm的孔時，鉆削速度為22m/min時，測得的粗糙度最小分別為 Ra=0.71 μm 和 Ra=0.63μm。

2 鉆削有限元模擬仿真

2.1 有限元模型構建

利用有限元軟件Abaqus，以Johnson-Cook模型為材料本構模型建立鈦合金TC4-DTYG6X硬質合金鉆頭鉆削加工有限元模型。利用該鉆削模型模擬鉆削參數（鉆削速度、鉆孔直徑）變化對工件殘余應力分布的影響。Johnson-Cook模型為：

Johnson-Cook模型各參數如表3所示。

模型中刀具使用的是YG6X硬質合金鉆頭，其主要成分是93.5%的WC和6%的Co，密度14.6～15.0kg/m3。刀具材料數據如表4所示。

如圖6所示，模型中鉆頭直徑分別為10mm、15mm、18mm。工件為長60mm，寬50mm，厚底為8mm。在這里給刀具施加Z方向的進給量，以及繞z軸順時針的旋轉速度，對工件的四周兩側約束六個方向的自由度，對刀具和工件施加面接觸。

表3 TC4-DT Johnson-Cook模型材料參數

表4 刀具材料參數

圖6 銑削加工有限元模型（鉆頭直徑10mm）

2.2 仿真結果與分析

不同切削速度、不同直徑鉆削加工時被加工材料的殘余應力分布有限元模擬結果如圖7所示。

表5列出了TC4-DT鈦合金鉆削加工后，零件表面釋放殘余應力實驗值與模擬值的對比，從表中可以看到，實驗值與模擬值數據的相對誤差基本控制在30%內，絕對誤差大部分控制在20MPa以下。有少數測點的相對誤差達到50%以上，其中，Φ10mm 31.0m/min切削速度下甚至達到98.9%，模擬結果誤差最大。

圖7 不同切削速度、不同直徑鉆削加工時被加工材料的殘余應力分布有限元模擬結果

圖8 Φ10mm鉆削試驗與模擬結果

圖8為Φ10mm孔鉆削試驗與模擬結果對比曲線，22.0m/min切削速度下，與距離的孔緣距離為8mm的模擬結果與試驗值相差較大，其余試驗值與模擬值接近，且試驗值的變化趨勢和模擬值的變化趨勢基本一致。

3 結論

通過鉆削過程表面殘余應力及粗糙度試驗研究及模擬仿真結果，得出以下結論：

鉆削后孔周圍的平面殘余應力沿著孔的徑向分布先減小后增大；隨著鉆削工藝線速度的增大，鉆后孔周圍的平面殘余應力減小；硬質合金刀具比高速鋼刀具鉆削后孔周圍殘余應力大；隨著鉆頭直徑的增加，鉆削后孔周邊的殘余應力下降。

表5 TC4-DT鈦合金鉆削加工后零件表面釋放殘余應力模擬誤差

硬質合金與高速鋼材料鉆頭均在低切削速度下，鉆削Φ18mm孔的粗糙度相對較大，在高切削速度下，鉆削Φ10mm孔的粗糙度相對較大；相同鉆削條件下，高速鋼鉆頭比硬質合金鉆頭鉆削孔表面粗糙度大；相同鉆削條件下，孔徑與鉆削速度對孔表面粗糙度影響不明顯。