鈦合金/鋁合金疊層低溫與干式鉆削實驗研究*

楊淇耀,吳 丹,陳 懇

(清華大學機械工程系，北京 100084)

0 引言

鈦合金、鋁合金和碳纖維復合材料因具有高比強度和比剛度而成為飛機結構件的主要材料。飛機裝配時，疊層結構主要采用機械螺栓連接方式，這就需要在兩層或多層疊層結構的連接處制孔，目前疊層制孔常采用一刀制孔的方法，同時，受裝配現場工況限制，目前多采用干切方式，存在刀具磨損嚴重、加工質量穩定性差的問題。以典型的鈦合金/鋁合金疊層為例，由于鈦合金是典型的難加工材料，具有低熱導率和高粘附性的特點，導致在鉆削過程中切削區溫度高、積屑瘤現象嚴重；另外，鈦合金和鋁合金的物理機械性能差異大，對刀具性能和制孔工藝也提出了很高的要求。低溫切削加工是利用液氮、液體二氧化碳等低溫介質，使工件、刀具或切削區處于冷卻狀態從而進行切削加工的方法。低溫切削能有效提高刀具壽命、改善加工質量并具有綠色環保的特點，這也為解決難加工材料疊層制孔問題提供了一種新的技術途徑。

在單層材料的低溫切削研究方面， Shakeel A L等對Ti-6Al-4V鈦合金工件進行了低溫鉆削研究，發現相比使用切削液加工，在低溫條件下鉆削軸向力和扭矩分別下降14%和6.42%～35.28%，并且低溫液氮冷卻還能獲得更好的斷屑性能[1-2]。Govindaraju N等使用液氮冷卻對AISI 1045號鋼和鋁進行了鉆孔試驗，也得出了相似的結果，鉆削力分別減少了6%～51%和11%～37%[3-4]。Hong S Y等利用液氮對Ti-6Al-4V鈦合金工件進行鉆削，有效地提高了刀具壽命[5]。Rotella G等發現,采用低溫鉆削Ti-6Al-4V鈦合金工件得到的工件表面質量要優于干式和微量潤滑加工[6]。Hong S Y研究了鈦合金低溫切削過程中的摩擦系數，發現摩擦系數比干切時更小[7]。Percin M等對比了Ti-6Al-4V鈦合金在干切、切削液、微量潤滑和低溫4種情況下的鉆孔質量，結果表明在低溫條件下，工件出口毛刺高度最小[8]。Impero F等在干切、低溫冷卻和微量潤滑三種條件下，對玻璃纖維增強鋁合金材料進行了鉆孔研究，結果表明，在冷卻條件下，工件表面的表面粗糙度是最好的[9]。

在疊層結構低溫切削研究方面， Impero F等比較了在切削液冷卻和低溫冷卻條件下鉆削碳纖維復合材料/鈦合金疊層的情況。研究發現，低溫冷卻下鉆孔過程更平穩，并且低溫冷卻使材料脆化，易去除，并易于排屑[9]。劉書暖等對碳纖維復合材料/鈦合金疊層的低溫鉆削進行了研究，實驗發現，低溫有助于改善出口毛刺和燒蝕現象，同時能夠提高疊層孔徑的一致性[10]。

已有研究表明，無論是單層還是疊層結構，低溫鉆削都能改善切削過程，易于保證加工質量、提高刀具使用壽命。目前對于疊層結構鉆削的研究僅限于碳纖維復合材料/鈦合金疊層，然而，疊層材料不同，疊層間的相互影響和加工特性也會表現出不同的規律。為了進一步探究疊層結構的低溫鉆削工藝規律，本論文以典型的鈦合金/鋁合金疊層結構為對象，采用實驗手段研究二氧化碳低溫冷卻條件下疊層鉆削工藝參數及其對鉆削質量的影響規律，并與干式切削進行對比和分析。

1 實驗設計與方法

1.1 實驗設備

以實驗室自主研制的多功能自動化制孔裝置為實驗平臺，如圖1所示。該實驗平臺主要由主軸單元、進給單元、工作臺單元、壓緊單元、檢測單元和控制單元等部分組成。主軸單元采用帶內冷通道的電主軸，冷卻介質可通過內冷通道直接到達刀具最前端。壓緊單元用于壓緊疊層，減小疊層間隙，抑制層間毛刺的產生。檢測單元主要由測力儀等設備組成，可以實現軸向力和扭矩檢測、視頻記錄等功能。控制單元用于連接和控制其他各個單元，可通過上位機發布指令，完成精確的自動化制孔過程。

圖1 制孔實驗平臺和冷卻設備

研究采用的冷卻設備為安默琳二氧化碳低溫冷卻系統。該設備通過高壓輸送管將超臨界態二氧化碳(-78 ℃)高壓常溫輸送到主軸單元，冷卻介質再依次通過主軸和刀具的內冷通道，直接從內部噴向切削區，如圖2所示。超臨界二氧化碳被輸送至加工區域時，會迅速膨脹吸熱，實現對切削區域的快速冷卻，并具有潤滑效果。采用這種內冷方式能夠使冷卻介質快速充分地進入封閉的鉆削區域進行冷卻，提高冷卻效率，減少冷卻介質對工件非加工表面性能的影響，同時，避免冷卻介質噴射不均導致刀具和工件的震顫。

圖2 冷卻介質噴射

1.2 實驗設計與方法

采用對比實驗的方法，比較低溫與干切條件下疊層鉆削的性能。實驗進行兩組，均采用同類型刀具和相同的進給量和切削速度，一組在干切條件下進行(室溫約為20 ℃)，另一組在二氧化碳低溫冷卻條件下進行(冷卻介質出口溫度為-60 ℃，流量為40 L/min)，實驗參數如表1所示，每種參數條件下加工5個孔。

表1 對比實驗工藝參數表

試件為鈦合金/鋁合金疊層結構，鈦合金牌號為Ti-6Al-4V，鋁合金牌號為7075，試件尺寸均為125 mm×125 mm，厚度為4 mm。考慮到兩種材料的切削特性差異，采用變參數加工工藝，且上層鈦合金采用啄鉆，啄鉆量1 mm/啄；下層鋁合金采用直鉆。實驗用刀具為Sandvik Coromant帶內冷通道的460型麻花鉆，公稱直徑為6 mm。

2 實驗結果

2.1 軸向力

在制孔過程中，利用Kistler9257B測力儀測量鉆削軸向力，結果如圖3所示。在低溫條件下，鈦合金軸向力表現出和在干切條件下相似的變化規律，隨進給量的增大而增大，而隨切削速度的增大變化不大。而鋁合金在低溫下的軸向力隨著切削速度的增大而增大，因為切削速度增大，單位時間內的產熱增加，從而降低了冷卻效果。隨著切削速度不斷增大，軸向力越來越接近常溫下的數值。由對比圖可以看出，無論是鈦合金還是鋁合金，低溫條件下的軸向力都呈現出更低的水平。其中，鈦合金軸向力平均下降1.7%，最大下降7.0%；鋁合金軸向力平均下降16.6%，最大下降33.5%。實驗結果表明，低溫鉆削能夠一定程度地降低疊層鉆削的軸向力，尤其是對于鋁合金。

(a) V=8 m/min時鈦合金軸向力隨進給量變化圖 (b) f=0.06 mm/r時鈦合金軸向力隨切削速度變化圖

(c) V=80 m/min時鈦合金軸向力隨進給量變化圖 (d) f=0.08 mm/r鈦合金軸向力隨切削速度變化圖

低溫條件下鉆削軸向力減小的原因與低溫對工件材料特性的影響有關。在低溫條件下，一方面，金屬內部晶體滑移受阻，塑性變形能力下降，斷裂更接近于脆性斷裂，使材料宏觀表現出屈服強度提高，斷裂強度增大，導致鉆削時會產生更大的軸向力；但另一方面，材料內部位錯塞積，應力增大，使得缺口敏感度提高，即缺口屈服比提高，使金屬更易在低軸向力條件下促進缺口生長，引發斷裂，從而降低軸向力。實驗表明，在-60 ℃條件下，鋁合金層的軸向力下降明顯，說明在此溫度下，鋁合金的缺口敏感程度受溫度影響更顯著，而鈦合金受到兩個因素的相互制約，使得軸向力僅略有下降。

進一步分析上述鉆削實驗結果發現，在相同切削參數條件下，低溫鉆削鈦合金層和鋁合金層的軸向力標準差分別為2.68 N和4.98 N，比干切條件下的標準差分別下降9.5%和28.6%。這說明在低溫條件下，鈦合金/鋁合金疊層的軸向力波動更小，鉆削過程更穩定，低溫有助于提高鉆削質量的穩定性。產生這種現象的主要原因是鉆削過程會產生大量切削熱，干切條件下，工件溫度會急劇上升，且由于刀具、切屑摩擦的不確定性，使得工件和刀具溫度波動較大。在低溫條件下，通過冷卻介質快速有效地帶走熱量，導致工件溫度變化小，材料能夠更好地維持它本身的性質。同時，二氧化碳介質能夠起到一定的潤滑效果，促進排屑，減少因切屑摩擦引起的振動。

2.2 表面粗糙度

采用Taylor Hobson Surtronic25型接觸式粗糙度測量儀測量孔內壁表面粗糙度，測量結果如圖4所示。由對比圖可知，除實驗1外，其他切削參數條件下低溫鉆削時兩層孔的表面粗糙度值均小于干切條件下的粗糙度值，其中鋁合金孔壁表面粗糙度平均下降28.1%，最大下降了49.2%；鈦合金孔壁的表面粗糙度平均下降13.5%，最大下降了22.3%。在實驗1中，鈦合金進給量為0.045 mm/r，進給量較小，并且鈦合金層采用啄鉆，改善了在干切條件下的斷屑效果，導致在低溫和干切條件下的粗糙度值相近。實驗結果表明，低溫鉆削能夠降低孔的表面粗糙度值。

(a) V=8 m/min時鈦合金孔粗糙度隨進給量變化圖 (b) f=0.06 mm/r時鈦合金孔粗糙度隨切削速度變化圖

(c) V=80 m/min時鈦合金孔粗糙度隨進給量變化圖 (d) f=0.08 mm/r時鈦合金孔粗糙度隨切削速度變化圖

表面粗糙度的變化與工件材料特性有關。低溫使金屬塑性變形能力下降、斷裂延伸率下降，材料在斷裂時，微觀塑性變形小，表現出更平整的表面形貌，宏觀上即表現出更小的表面粗糙度值。

在相同切削參數條件下，低溫鉆削所得的鈦合金孔和鋁合金孔的表面粗糙度值的標準差分別為0.08 μm和0.09 μm，比干切條件下的標準差分別下降了43%和31%。從實驗結果可以看出，低溫條件下，鈦合金孔和鋁合金孔的表面粗糙度值分布范圍都更集中，表明在低溫條件下，切削過程和獲得的鉆孔質量更穩定。

2.3 進出口毛刺

利用Leica M205C式顯微鏡對孔邊緣部分進行線掃描，可以獲得孔邊緣表面形貌圖，在低溫和干切條件下分別選取了4個鈦合金孔的典型出口毛刺形貌圖，如圖5所示。圖中左側上臺階平面表示工件外表面，急速下降的線表示孔的內壁，交界處的凸起即為毛刺。圖中右側下臺階表示孔的內部，和毛刺在圖中對應的高度和距離，均與毛刺高度無關。實驗發現，鈦合金層入口毛刺在干切和低溫條件下均小于20 μm，可以忽略，以下重點研究鈦合金的出口毛刺。

(a) 低溫條件下鈦合金典型毛刺形貌

(b) 干切條件下鈦合金典型毛刺形貌圖5 鈦合金層出口毛刺典型形貌對比圖

由圖5所示形貌圖可以看出，在低溫和干切條件下，鈦合金孔出口處都出現了較明顯的毛刺，但是在低溫條件下的毛刺高度較低，孔邊緣工件上表面較為平整。利用顯微鏡測量工具可以測得平均毛刺高度，分布如圖6所示。在低溫條件下，鈦合金出口毛刺平均高度為41 μm，比干切條件下的毛刺高度下降46.1%。結果表明，低溫有助于抑制鈦合金的出口毛刺。因為低溫使鈦合金塑性變形能力下降，孔邊緣材料去除時變形小，從而使得毛刺高度降低。

圖6 鈦合金層出口毛刺平均高度對比圖

在相同切削參數條件下，低溫條件下的鈦合金層出口毛刺高度的標準差為13.8 μm，比干切條件下降19.8%。結果表明，低溫還能使毛刺高度的方差下降。由于冷卻介質的持續作用，使得材料不易發生局部發熱甚至燒蝕的現象，材料顯示出更穩定的加工性質。

實驗發現，在低溫和干切條件下，鋁合金的進出口毛刺高度都很小。但和鈦合金一樣，在低溫條件下，鋁合金孔邊緣的表面更平整，波度更小。主要原因是低溫條件下不易發生材料熱軟化或者燒蝕，同時，低溫提高了材料的硬度，使得孔邊緣在受到刀具和切屑的摩擦時更不易磨損和變形，能夠更好地維持孔邊緣表面的平整。

2.4 孔徑

利用TESAIMICRO 06130105型內徑千分尺測量孔徑，取9組數據的平均值作為該孔的孔徑值，取每一種參數條件下的5個孔的平均值作為在該參數條件下的孔徑值，結果如圖7所示。

(a) 鈦合金孔徑對比圖 (b) 鋁合金孔徑對比圖圖7 鈦合金/鋁合金孔徑對比圖

由對比圖可以看出，在前三組實驗中，切削速度較低，鈦合金孔在低溫條件下的孔徑均較小，而在增大切削速度后，孔徑顯著增大。在相同的刀具直徑下，孔徑與工件材料熱膨脹、刀具形成積屑瘤和切屑的摩擦等因素有關。在低溫下切削時，刀具出現一定程度的收縮，同時冷卻介質有助于排屑，減少切屑對孔壁的摩擦，從而使孔徑減小。當增大切削速度時，單位時間內產熱增加，使工件和刀具膨脹，同時使工件材料軟化，孔壁更易受到切屑摩擦切削。實驗發現，干切條件下更易產生積屑瘤和高溫切屑，摩擦切削孔壁，使得孔徑增大。鋁合金孔徑也出現了相似的趨勢，但由于鋁合金的熱膨脹系數較大，在低溫切削后再回到常溫時，工件發生的膨脹較大，使得孔徑整體偏大。鈦合金和鋁合金之間較大的熱膨脹性質差異，導致在低溫鉆削時，疊層間的孔徑差較大，鋁合金孔的孔徑普遍大于鈦合金孔。

以實驗1為例，鈦合金和鋁合金孔的孔徑均值和波動范圍如圖8所示。在低溫條件下，孔徑的方差和極差都比干切條件下更小，孔徑范圍更集中，尤其是對于鈦合金，在低溫條件下的孔徑極差為0.008 mm，僅是干切條件下的一半。實驗結果表明，在低溫條件下，能夠獲得更好的孔徑一致性，鉆削過程更穩定。

圖8 孔徑數值對比圖

2.5 切屑形狀

采用控制變量法對切屑進行研究，實驗參數如表2所示。對每組實驗分別收集切屑，典型的切屑形狀如圖9所示。實驗結果表明，隨著切削速度的增大，鋁合金切屑形狀變化不明顯，基本上呈現C型屑，斷屑較好；但當切削速度超過120 m/min時，出現長螺旋狀切屑。而鈦合金切屑隨著切削速度的提高，由短螺旋狀逐漸變為長螺旋狀，斷屑效果變差。分析其中原因可知，隨著切削速度提高，單位時間產生的熱量上升，當超過冷卻介質冷卻能力時，工件溫度就會快速升高，使工件材料軟化，提高塑性，不易斷裂。通過對比實驗可以發現，在低溫條件下的斷屑效果比干切好，原因是低溫使材料塑性變形能力下降，易斷裂。實驗表明，在-60 ℃下，當鋁合金和鈦合金的切削速度分別低于120 m/min和12 m/min時，流量為40 L/min的二氧化碳冷卻介質具備足夠的冷卻能力，維持材料脆性，保證切削具有良好的斷屑效果。

表2 實驗參數

(a)實驗2切屑 (b)實驗5切屑 圖9 低溫典型切屑形貌圖

疊層鉆削時，鉆削下層產生的切屑在排出過程中會與上層孔壁產生摩擦，斷屑效果差會直接導致切屑排出過程嚴重受阻，切屑與孔內表面劇烈摩擦，導致孔表面質量下降。高切削速度或者干切條件下更易產生長螺旋狀切屑，甚至會產生纏屑現象，加劇切屑與孔壁摩擦，一方面產生更多熱量，使工件材料軟化，容易被去除，另一方面增加對已鉆削孔內壁的摩擦切削，使得孔徑增大。南成根等人在研究碳纖維復合材料/鈦合金疊層鉆削時也指出，鈦合金切屑在流出過程中會對上層復合材料和鈦合金自身孔壁造生劃傷，從而破壞孔徑精度和表面質量[12]。因此，在選擇低溫鉆削的工藝時，應保證冷卻介質具備足夠的冷卻能力，以獲得良好的斷屑效果，從而提高孔徑精度和表面質量。

3 溫度的影響

3.1 冷卻介質出口溫度梯度實驗

采用控制變量法對冷卻介質出口溫度對于鉆削性能的影響進行了研究。固定工藝參數，鈦合金層和鋁合金層的進給量分別為0.06 mm/r和0.08 mm/r，切削速度分別為12 m/min和120 m/min。利用安默琳二氧化碳冷卻設備控制冷卻介質的出口溫度，在出口溫度分別為-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃三種條件下進行了鉆削實驗，并和干切(室溫約為20℃)作比較。

3.2 實驗結果

軸向力隨溫度變化的趨勢如圖10a所示。實驗發現，隨著溫度的降低，鈦合金和鋁合金層的軸向力都有一定程度的降低。主要原因是溫度更低會使得缺口敏感，材料更容易斷裂，產生的軸向力更小。但由于低溫引起的材料硬化與之相互制約，導致下降幅度不大。

孔表面粗糙度隨出口溫度變化的趨勢如圖10b所示。實驗發現，隨著出口溫度的降低，鈦合金和鋁合金孔壁表面粗糙度值都表現出下降的趨勢，其中鋁合金下降幅度更大。結果表明，降低出口溫度有助于降低孔壁表面粗糙度值。因為低溫能夠降低材料塑性變形，導致斷裂面更平整，宏觀上，表現出更低的表面粗糙度值。

(a)軸向力隨冷卻介質出口 溫度變化圖 (b) 表面粗糙度隨冷卻介質出口溫度變化圖

4 結論

通過上述鈦合金/鋁合金疊層鉆削實驗可知，低溫鉆削有助于降低軸向力，減小工件塑性變形，獲得更好的孔徑一致性和更穩定的切削狀態，且具有更好的斷屑和排屑效果。主要結論如下：

(1)低溫條件下，工件材料缺口敏感度提高，能夠在一定程度上降低鈦合金/鋁合金疊層鉆削軸向力。

(2)低溫條件下，鈦合金/鋁合金工件材料的塑性變形能力下降，不易發生熱軟化或熱燒蝕從而有效地改善表面粗糙度，減小出口毛刺高度，并能夠維持更穩定的切削狀態。

(3)低溫能夠增加鈦合金和鋁合金材料的脆性，降低斷裂延伸率，更有助于斷屑，形成C型或短螺旋型屑；同時冷卻介質的流動還有助于排屑，減少纏屑等現象發生。

(4)低溫鉆削易于保證孔徑一致性，但是由于鈦合金和鋁合金受熱膨脹影響的程度不同，使低溫疊層鉆削時孔徑差異較大，是值得今后深入研究的內容。