雙溝槽鉆頭超聲輔助鉆削鈦合金有限元仿真研究

遲英昊，王大中，龐康，陳飛陽，范麗穎

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

自20 世紀50 年代末，鈦合金（Ti6Al4V）被研制出來后，以其具有的優良特性，比重輕、強度高、抗腐蝕、耐高溫、良好的焊接等性能[1]，在航空航天、彈道導彈、石油平臺、遠洋船舶、工程機械等諸多領域發揮著重要的作用。自20世紀80 年代起，美國飛機大量使用鈦合金，用鈦量達41%～70%[2]。在對鈦合金的切削加工方面，Joy[3]等人研究了在干鉆削的條件下合金涂層硬質合金鉆頭對Ti6Al4V 的加工參數。研究發現，增加進給率會導致鉆頭磨損加重和壽命減少，斷屑能力變好；Bonnet[4]等人在鉆削摩擦模型的基礎上，對滑動速度、接觸壓力、潤滑和工具涂層等因素進行了研究，結果表明涂層和潤滑對鉆削摩擦沒有顯著影響；Suresh[5]建立了微鉆削過程的有限元仿真系統，研究微鉆削過程中尖角和邊緣半徑對能耗的影響。建立了考慮微鉆頭刃形、刃緣半徑、螺旋角、尖角等的有限元模型。深入分析后發現，隨著微鉆速的增加，切屑形態由連續型轉變為破碎型，鉆孔內毛刺現象大幅度減少；Barman[6]綜合評估了運用在鈦合金上傳統鉆削工藝和螺旋銑削工藝，初步表明銑削加工可以降低軸向推力和加工溫度；Jain[7]等學者研究了電火花鉆孔工藝；Dahnel[8]研究了硬質合金鉆頭加工碳纖維增強材料（CFRP）和鈦合金（Ti6Al4V）層疊材料。結果表明，使用具有高耐磨性的鉆頭可以最大限度地減少毛刺的形成，也有利于實現更長的工具壽命；Li[9]等人設計了一種新型的低頻振動輔助鉆削（LFVAD）與強制風冷耦合系統，使用該系統，有利于降低鉆屑的附著力和鉆頭的齒面磨損；Yang[10]等人提出了一種新的預測鉆削推力和扭矩的解析模型，該模型將振動振幅和頻率修正、鉆頭工作角度、不同切削刃位置的鉆削力和鉆削力轉化為推力和扭矩；Sorgato[11]等采用振動輔助鉆削（VAD）和常規鉆削法（CD）在Ti6Al4V 表面加工出微孔。對鉆孔的幾何、尺寸和外緣質量、表面粗糙度、表面缺陷和微觀結構進行了綜合分析，結果表明VAD 都能改善孔的整體質量；Balaji[12]等利用響應面法（RSM）對實驗數據進行分析，確定了表面粗糙度、齒面磨損和鉆頭振動速度加速度的重要參數。

本文中利用三維建模軟件和有限元仿真軟件，研究了無槽鉆頭的普通鉆削，雙溝槽型鉆頭的普通鉆削和雙溝槽鉆頭的超聲振動輔助鉆削，對三者的鉆削力、鉆削溫度進行分析，研究鈦合金的鉆削加工機理。

1 超聲振動輔助鉆削理論

超聲振動輔助鉆削Ti6Al4V 能夠降低鉆削力和溫度，提高加工工件的表面精度，減少刀具的磨損。超聲振動輔助鉆削多指振動頻率超過16 kHz[13]，本文研究采用鉆頭縱向進擊并施加頻率為30 kHz，振幅為0.005 mm 的周期性振動。軸向振動鉆削原理圖如圖1 所示。

圖1 軸向振動輔助鉆削原理圖Fig.1 Axial vibration drilling schematic

本文在研究過程中采用了第一種超聲振動鉆削加工方式，分析該種方式的運動特性。其主鉆削刃上最外緣上一點的相對位移

增加超聲振動后，某一瞬時沿進給方向的振動位移

使用超聲振動輔助鉆削方法后，是在傳統鉆削運動和刀具振動疊加下的復合運動，其主鉆削刃上最外緣上一點的相對位移

刀具半徑為R，傳統鉆削和超聲輔助鉆削加工過程，其主鉆削刃上最外緣上一點的空間坐標

式中：n——刀具主軸轉速，r/s；fr——刀具的進給量，mm/r；A——軸向超聲振動的振幅，mm；f——軸向超聲振動的頻率，Hz；t——運行時間，s。

可利用MATLAB 軟件繪制出該點分別在普通鉆削加工和超聲振動輔助鉆削加工的運動軌跡三維坐標圖，如圖2 所示。

圖2 鉆削三維圖Fig.2 3D drilling diagram

通過對比2 個軌跡圖，超聲振動鉆削是在傳統鉆削的基礎上，在進給方向上呈現周期性的振動運動，其軌跡的縱坐標是在傳統鉆削的基礎上，增加或者減少振動變化的幅值，縱向之間的軌跡間隔大小與刀具的進給量相關。

假設刀具進給量與水平軸的夾角為θ，將得到的兩者的三維軌跡圖展開，如圖3 所示。

圖3 普通鉆削和超聲振動輔助鉆削刀具外緣沿進給量展開軌跡圖Fig.3 Developing trace of cutter outer edge along feed for conventional drilling and ultrasonic vibration assisted drilling

在圖3（a）所示，使用傳統鉆削加工方法，鉆頭的進給量恒定不變，相鄰的兩條軌跡線之間始終存在一個進給量的差值，因此鉆屑的厚度始終不變，會產生較為連續的鉆屑。并且，鉆削加工是在半封閉的空間下來完成的，連續不斷的鉆屑極易造成孔內堵塞，加工表面的損傷，影響加工的精度。在圖3（b）所示，使用超聲振輔助鉆削的加工方法后，在單次進給量的過程中，刀具的振動是呈現周期性變化的，隨著鉆削深度的增加，兩條加工的軌跡線沿Z 軸的差值也呈現周期性的變化，因此鉆屑有時鉆屑的厚度為零，將不再產生連續不斷的鉆屑，隨著刀具的高速旋轉，多以碎片狀切屑排除，避免了孔內的堵塞，削弱了加工表面的損傷，提高了加工精度。

使用超聲輔助鉆削加工，是在傳統鉆削加工方法的基礎上增加刀具的軸向振動，刀具沿Z 軸的坐標不斷變化，同樣刀具的瞬時切削速度是不斷變化的。根據兩者關系，利用微積分，對位移公式（3）求導，則主鉆削刃上最外緣上一點的速度表達式如下：

半徑為r 處的旋轉速度表達式如下：

速度是矢量，適用勾股定理，速度合成后的表達式如下：

使用超聲振動輔助鉆削方法，刀具速度是縱向速度VZ和旋轉速度Vr的合成速度，在間隔一個進給量的軌跡下，縱向切屑深度是周期性變化，增加斷屑的幾率，使得被加工孔內鉆屑隨螺旋槽導出，提高孔的加工質量。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖4 所示[14]。工件的材料是Ti6Al4V，刀具的材料為硬質合金（WC）。鉆削加工參數如表1 所示。

表1 鉆削加工參數Tab.1 Drilling parameters

圖4 鉆削加工設備Fig.4 Drilling equipment

實驗中刀具的進給速度為3 000 r/min，進給量分別為0.3，0.4，0.5 mm/r。當進給量是0.3 mm/r 時，實驗與仿真的溫度的差值比為8.65%，鉆削力的差值比為9.28%；當進給量是0.4 mm/r時，實驗與仿真的溫度的差值比為8.39%，鉆削力的差值比為8.43%；當進給量是0.5 mm/r時，實驗與仿真的溫度差值比為8.37%，鉆削力的差值比為9.18%。實驗結果與仿真結果的誤差低于10%，因而證明仿真結果的可靠性，在一定程度上，鉆削仿真是有研究價值的。如圖5 所示

圖5 實驗與仿真的結果對比Fig.5 Comparison of experimental and simulation results

3 有限元仿真

3.1 有限元建模

如圖6 所示，采用SolidWorks 軟件設計了兩種不同結構的鉆頭。

圖6 不同結構的鉆頭Fig.6 Drill bits with different structures

鉆頭NG：直徑3.6 mm，頂角118°，螺旋角30°；鉆頭DG：直徑3.6 mm，頂角118°，螺旋角30°；溝槽寬0.5 mm，深0.5 mm，長2 mm，螺旋角35°。

3.2 仿真有限元本構模型

使用DEFORM-3D 作為仿真軟件，工件與刀具網格采用自適應劃分。在仿真過程中，多次重新劃分，提高了仿真色精確性，使得結果與實驗相比較，誤差較小。本次仿真中使用了采用Johnson-Cook 模型，其表達式為：

式中：A，B，n，C，m ——工件強化系數（見表2）；Tmelt——工件的熔點溫度/K；T0——工件的溫度/K；——工件的等效塑性應變率；——工件的參考應變率

表2 Johnson-Cook 模型材料參考值Tab.2 Johnson-Cook model material references

4 結果與討論

4.1 溫度分析

溫度研究在加工過程中具有重要的研究意義，當鉆頭完全進入工件內部時，鉆削狀態穩定，多次實驗后，取加工過程中的溫度平均值作比較。溫度在普通鉆削、雙溝槽型鉆頭鉆削和超聲振動輔助鉆削過程的分布如圖7 所示。從0.011 到0.031 的不同時間，鉆削過程處于相對穩定狀態。從普通鉆削和超聲振動輔助鉆削的溫度云圖可以看出，普通鉆削主要集中在鉆削刃和工件的接觸區域，由于超聲振動，鉆削刃和工件會產生微米級的分離，因此接觸區的溫度相對較低。與普通鉆削相比，DG+CD 的溫度降低9.63%，DG+UAD溫度最低，降低了22.8%，如圖8 所示。

圖7 主軸轉速3 000 r/min，進給量0.1 mm/r 時的溫度分布對比Fig.7 Temperature distribution comparison of main shaft speed 3 000 r/min and feed of 0.1 mm/r

圖8 3 種加工條件下平均溫度對比Fig.8 Average temperature comparison under three processing conditions

4.2 鉆削力分析

待鉆頭完全進入工件內部，鉆削力達到穩定狀態下，多次仿真取得鉆削力平均值。如圖9 所示，當主軸轉速為3 000 r/min，進給量為0.1 mm/r的條件下，不同加工方法對鉆削力的影響。隨著鉆頭鉆入工件內部，鉆削力逐漸變大，這是鉆屑厚度增加、切屑形成造成的。與普通鉆削相比，使用雙溝槽型鉆頭，鉆削力降低了10.2%，使用雙溝槽型鉆頭，并采用超聲振動輔助鉆削，降低鉆削力的效果尤為突出，鉆削力降低了23%。采用超聲輔助鉆削，切削刃與切削鑿邊產生了高頻率的分離現象，有效排除鉆屑，使得加工孔內的摩擦力降低。減少了刀具的磨損，增加刀具的使用壽命。

圖9 平均鉆削力對比圖Fig.9 Comparison diagram of average drilling force

5 結論

本研究中對Ti6Al4V 不同加工條件進行了分析研究，得到以下結論：（1）采用超聲振動鉆削，周期性的鉆頭振動有利于提高斷屑率，降低工件的表面粗糙度，降低刀具磨損；（2）與普通鉆削相比，DG+CD 的溫度降低9.63%，DG+UAD溫度最低，降低了22.8%。優化刀具結構有利于提高鉆削性能；（3）與CD 相比，使用DG 鉆頭，鉆削力降低了10.2%；使用DG 鉆頭，并采用超聲振動輔助鉆削，鉆削力降低了23%。降低鉆削力，有利于提高刀具的使用壽命。