鈦合金深孔鉆削溫度測量及加工表面質量研究

秦 聲，密思佩，明偉偉，陳 明

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

1 前言

鈦合金由于比強度高，耐熱性好，耐腐蝕，密度小，無磁性等特性，被廣泛應用于航空、航天、化工、醫療器械等領域[1-3]。在航空航天領域中，由于部件尺寸的減小和功率密度的增加，常要求加工小直徑和高長徑比的深孔[4]。對于此類深孔加工，切削過程處于封閉或半封閉環境，易產生高溫損傷孔壁，監測其切削溫度，研究切削溫度對孔壁表面質量的影響具有重大意義。

為了獲得良好的加工質量，許多方法已被用于深孔加工，如槍鉆，BTA[5]，DF等。然而，由于麻花鉆的正角切削有利于切屑平滑流出，深孔加工中麻花鉆仍然為主要的一種加工方式[6]。金屬加工質量與加工參數如切削速度、進給量等有關，其中，溫度是金屬切削的關鍵因素，特別是對于鈦等難加工材料。許多研究人員研究了深孔鉆削時的切削溫度，如文獻[7]使用熱電偶測量鉆削溫度，并使用Taguchi方法優化切削參數。文獻[8]將熱電偶集成到切削刃附近的鉆頭中，以測量鈦鉆削過程中的鉆削溫度。文獻[9]在工件中嵌入熱電偶來測量鉆孔溫度。文獻[10]使用熱紅外成像儀監測薄壁工件表面，采集鉆削溫度的變化。除了溫度測量方法，許多研究人員還對鈦合金的加工質量進行了研究。文獻[11]對鈦合金鉆削進行了全面分析，發現鈦合金表面對粘附材料極為敏感。文獻[12]在鉆削過程中對比了不同潤滑劑的作用，試驗結果發現MQL的作用最好，對工件加工質量最為友好。文獻[13]發現加工表面形貌取決于鉆頭及其涂層的類型。文獻[14]研究了TC4鉆削過程中的顯微組織和顯微硬度，發現亞表面顯微硬度沿孔長略有變化，且對潤滑條件較為敏感。

采用旋轉測溫刀柄測量TC4鈦合金深孔鉆削的溫度，研究切削加工參數對深孔加工溫度的影響規律，分析深孔加工溫度與孔壁表面質量的關系，確定有利于TC4鈦合金深孔鉆削表面質量的鉆削工藝參數。

2 TC4深孔鉆削實驗

2.1 工件材料

試驗采用鍛造α-β 相Ti-6Al-4V（TC4）合金，工件尺寸為（500×200×30）mm。Ti-6Al-4V的化學組成，如表1所示。

表1 Ti-6Al-4V合金的元素成分Tab.1 Chemical Composition of Ti-6Al-4V

2.2 實驗設備

深孔鉆削試驗在HAAS EC-160 臥式加工中心進行。本次實驗內冷孔預埋熱電偶絲的方法在線測量深孔鉆削過程的溫度。試驗裝置采用兩個K型標準熱電偶安裝在鉆頭側面的內冷卻孔中，兩個埋在內冷卻孔中的熱電偶與旋轉測溫刀柄連接，實現加工過程溫度采集卡對溫度實時采集，其中，溫度采樣信號為1Hz，如圖1所示。實驗結束后，通過數據線將采集的數據傳到計算機中完成數據的輸出。

圖1 TC4深孔鉆削試驗裝置Fig.1 Experimental Setup of TC4 Deep Hole Drilling

試驗中使用的刀具為硬質合金麻花鉆，其信息，如表2所示。

表2 刀具信息Tab.2 Tool Information

2.3 試驗方案

TC4深孔鉆削試驗采用全因素方法，鉆削參數，如表3所示。所有試驗均為干切削。鉆孔深度為150mm，約為鉆頭直徑的12.5倍，在鉆深孔之前先鉆20mm的導孔。試驗后，測量深孔的表面粗糙度和表面紋理，分析加工表面的硬化層。

表3 TC4深孔鉆削試驗參數Tab.3 Deep Hole Drilling Parameters

3 試驗結果分析

3.1 TC4深孔鉆削溫度

轉速10m/min，進給量為0.04mm/rev參數下鉆孔溫度隨著深度變化的曲線，如圖2所示。由于導孔的存在，鉆頭在前20mm內沒有參與切削，測得的溫度為室溫。當鉆頭開始參與切削，測得的溫度急劇上升，最后當鉆孔深度達到60mm 時，溫度穩定在250℃附近。深孔鉆削為封閉鉆削，沒有內部冷卻和有效的切屑去除，隨著深度的增加，因切削熱的積聚，測得的溫度略有上升，其最大值可達到270℃。因為熱電偶測量端距離切削刃約2mm，實際測得的溫度略低于切削區域的實際切削溫度。收集的信號可表示切削溫度的變化趨勢。

圖2 鉆削溫度與鉆削深度的函數關系（10m/min，0.04mm/rev）Fig.2 Drilling Temperature as a Function of Drilling Depth（10m/min，0.04mm/rev）

試驗所測得的全部鉆削溫度曲線，如圖3 所示。所有曲線都有類似的趨勢：隨著鉆削深度的增加，溫度上升，增長率下降。在0.04mm/rev的進給速度下，鉆削溫度隨鉆削速度變化波動很大。在切割速度為10m/min時，溫度約為250℃，而在20m/min和30m/min時，溫度約為530℃和570℃，由試驗數據可見切削速度對切削溫度有著顯著的影響，并且隨著切削速度的增加，切削溫度急劇上升。因為當工件處于較高的切削速度，材料去除率上升，產生的切削熱量快速增加而無法及時消散到工件或切屑中，導致切削溫度急劇上升。然而，當切削速度超過20m/min時，溫度增加速率開始下降，此時進給速度對溫度有輕微和不規則的影響。這是由于切削刃處的切削厚度增加，切削所需功率增加，從而導致了更高的切削溫度。

圖3 試驗測得鉆削溫度變化規律Fig.3 Drilling Temperatures of All Tests

3.2 深孔加工表面質量

孔深為50mm，90mm和130mm的孔壁被剖開進行進一步的表面質量分析。所測試三個位置的表面粗糙度，如圖4所示。前四次試驗的表面粗糙度差異不大，隨著鉆削速度和進給量的增大，表面粗糙度略有增加，Rɑ約為0.6μm。第五次測試結果異常，所測試的三個位置的表面粗糙度均為最大，均超過1μm。這可能是由鉆削溫度過高引起的，第五組所測溫度是六組實驗所測得溫度中的最高值。在第三和第六次測試中，90mm處的表面粗糙度比其他位置大得多，這是由第三和第六次測試中該位置的弱剛性引起的。

圖4 孔深50mm，90mm and 130mm深孔的表面粗糙度RaFig.4 Surface Roughness Ra of Deep Holes at Hole Depth 50mm，90mm and 130mm

在三個不同鉆削參數下鉆孔深度為130mm處的表面加工形態，如圖5所示。粘附材料和表面劃痕是加工表面的主要缺陷。粘附材料是由高溫引起的，而表面劃痕是由切屑引起的。隨著溫度的升高，材料軟化并更容易粘附到刀具和已加工表面上。因此，第五次試驗的表面具有最多粘附的鈦，這與溫度和粗糙度結果一致。

圖5 不同參數下加工表面的SEM圖像Fig.5 SEM Images of Machined Surface under Different Parameters

3.3 深孔加工表面硬化

還研究了加工硬化現象。四組加工參數下孔深度為130mm處已加工表面的金相組織，如圖6所示。由于鈦加工過程中的高應變率，加工表面周圍的晶粒沿進給方向變形。高溫導致已加工表面燒傷，對加工表面造成了很大的破壞，如圖6（a）所示。可以發現約10μm的白色層，其由鈦的β相組成，這種現象表明實際切削區溫度高于相變溫度。那些新產生的β相進而導致嚴重的加工硬化現象，如圖6（b）所示。相變層下也存在晶粒畸變現象，如圖6（d）所示。

圖6 四組參數下加工表面的金相結構Fig.6 Microstructure of Machined Surface under Four Parameters

4 結論

通過鍛造α-β 相Ti-6Al-4V（TC4）合金全因素深孔鉆削試驗，研究了基于旋轉測溫刀柄的鉆削表面質量影響因素，試驗結果表明：

（1）采用熱電偶溫度測量的方法可成功采集深孔鉆削的溫度。

（2）切削速度對鉆削溫度的影響最大，進給速度對鉆削溫度略有影響。

（3）當切削速度達到30m/min 時，表面質量迅速惡化，產生表面燒傷和嚴重的加工硬化現象。

（4）結合試驗結果，建議實際使用深孔鉆削參數為20m/min，0.08mm/rev。