TA15鈦合金深孔鉆削試驗研究

馮亞洲 黃帥澎 劉雁蜀 丁云飛

(西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065)

TA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其主要的強化機制是通過α穩定元素Al的固溶強化，加入中性元素Zr和β穩定元素Mo、V以改善工藝性能。該合金的Al含量為6.58%，Mo含量為2.46%，屬于高Al含量的近α型鈦合金。因此，它既具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊接性，又具有(α+β)型鈦合金的工藝塑性。TA15鈦合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好的優點，可作為較理想的航天工程結構材料[1]。但由于TA15鈦合金導熱系數低、彈性模量小，屬于難加工材料，而深孔鉆削又在封閉或半封閉狀態下進行的，無法直接觀察到刀具的切削狀況，隨著鉆削深度的增加，切屑從孔中排出的難度也會增加，散熱條件也會越來越惡劣，導致排屑困難，易造成堵屑，致使深孔鉆頭崩壞扭斷，嚴重影響內孔加工質量和降低加工效率[2]。因此，對切屑形態的有效處理和合理控制在深孔鉆削中是非常重要的。

目前，針對難加工材料切削加工方面的問題，許多學者在切屑形態方面做了大量研究。張小粉等[3]通過硬質合金槍鉆對45鋼進行鉆削試驗，采用單因素試驗法研究了切削速度和進給量對切屑形態的影響規律，結果表明，切削速度不變時，隨著進給量的增大，切屑的形狀會從長帶狀變成單元狀；進給量不變時，隨著切削速度的增大，切屑尺寸從大變小再變大。李艷等[4]通過麻花鉆鉆削304奧氏體不銹鋼試驗，得出轉速相同的條件下，進給量增大會使切屑由帶狀切屑變為單元切屑。李毅[5]通過車削TA15鈦合金試驗，發現切削速度、進給量和切削深度的增加，均會加大TA15鈦合金切屑的鋸齒化程度，導致材料的切削性能變差。金城哲等[6]通過仿真和切削試驗相對比的方法研究了刀具幾何參數和切削用量鉆削高強度鋼時對切屑形態及切屑幾何參數的影響，分析得出增大切削速度和進給量時，切屑形態會從長螺旋帶狀、短螺旋帶狀和寶塔狀轉變為錐狀和崩碎狀切屑；選擇較大切削速度與進給量，切屑斷屑率將增大，能有效減少刀具磨損，提高工件表面質量。胡寬輝等[7]通過錯齒BTA(boring trepanning association)鉆削空心車軸試驗，研究了不同切削參數對切屑形態及排屑效果的影響規律，結果表明，合理地選擇進給量和切削速度，可以有效地控制切屑形態。

切削用量、刀具幾何參數在加工過程中對切屑形態均有影響。根據材料的性能，合理地選擇切削用量和刀具幾何參數可以有效控制切屑形態。在深孔加工中，單刃BTA深孔鉆采用軸向階梯分屑，即在切削刃后刀面上磨出臺階，根據鉆頭直徑的大小，將外刃分為1～3個切削刃，使切屑分成又細又長的卷屑，而此卷屑在排屑入口處交匯時又容易相互糾纏，造成嚴重堵屑，因此，需要設置斷屑槽來使切屑折斷，形成窄而短的切屑。斷屑槽的主要參數為寬度W、深度H和過渡圓弧半徑R。這些數值與工件材質、鉆頭直徑以及切削用量有關，必須合理選擇，才能確保排屑順暢。因此，本文通過對難加工材料TA15鈦合金進行深孔鉆削試驗，研究和分析在鉆削過程中刀具斷屑槽圓弧半徑、機床主軸轉速和進給量對切屑形態的影響，進而獲得合理的加工工藝參數，有效提高加工質量和效率。

1 深孔鉆削試驗

1.1 BTA深孔加工系統工作原理

BTA加工系統是一種典型的深孔內排屑加工系統，其原理如圖1所示。工作原理如下：高壓冷卻液通過授油器輸入到鉆桿外部與被加工工件孔內壁的切削區域，然后冷卻液帶動切屑從鉆頭內部的排屑通道和鉆桿內孔排出至容屑盒內，切削液經過濾沉淀不斷循環使用。因此，在BTA加工系統中對切屑形態的有效處理和控制是能否順利排屑的關鍵。

1.2 試驗條件

表1 TA15鈦合金的化學成分 %

表2 TA15鈦合金的機械和物理性能

設備選用T2120深孔鉆鏜床，鉆桿長度為3 000 mm，最大鉆削深度為2 500 mm，使用四爪卡盤裝夾，切削液選用乳化液，試驗設備如圖4所示。在鉆削過程中，對加工孔的直線度要求較高，因此采用工件旋轉，刀具軸向進給的方式進行鉆削。試驗鉆頭采用φ30 mm單刃內排屑鉆頭，刀齒材料選用YG8[8]，刀齒與刀體采用焊接方式連接。其中斷屑槽的寬度W=2 mm、深度H=0.55 mm、圓弧半徑R的取值范圍為0.6～1.0 mm。在刀具前刀面上設置斷屑槽主要是增大切屑的彎曲變形，使長切屑能夠有效折斷。其斷屑機理如下，當切屑從前刀面上流出時，由于帶圓弧斷屑槽的作用，使切屑產生卷曲，增加了切屑的彎曲變形，使切屑材料失去一些塑性，然后頂到孔底，切屑在彎矩作用下再變形，當這種變形達到足夠的程度時，則產生斷屑。試驗鉆頭實物如圖5所示，鉆頭幾何參數如表3所示[9]。TA15鈦合金屬于韌性大難斷屑的材料，鉆頭斷屑槽選用內斜型，使切屑卷成里松外緊的形狀。

表3 φ30 mm單刃內排屑鉆頭幾何參數

1.3 試驗方法

采用正交試驗設計方法[10]，研究和分析在鉆削過程中斷屑槽圓弧半徑R、主軸轉速n和進給量f這3個參數對切屑形態的影響規律。根據TA15鈦合金的材料性能和相關研究將因素設置成不同的3個水平，如表4所示。

表4 因素水平設置

2 試驗結果與分析

在深孔加工中，鉆削是在封閉空間下進行的，排屑空間小，排屑條件惡劣，工件能否順利排屑是關鍵問題，排屑主要是對切屑的處理和控制。切屑的寬窄、卷曲的形狀、切屑的長短都直接影響排屑情況。表5和表6分別為TA15鈦合金深孔鉆削正交試驗設計表和試驗加工情況表，采用L9(34)正交實驗表進行9組深孔鉆削試驗，觀察每次試驗的切屑形態，對鉆削過程中切屑形態的變化進行分析比較。

表5 正交試驗設計表

表6 試驗加工情況表

當R=0.6 mm時，觀察試驗序號1、2和3可知，隨著進給量和主軸轉速的增大，對切屑形態的影響不是很明顯，均產生纏繞擠壓螺卷屑，擠壓螺旋屑，如圖6a、b所示，且無法進行正常加工，出現堵屑嚴重現象。這主要是由于斷屑槽圓弧半徑太小，切屑不能圓滑的滑過斷屑槽產生卷曲，對斷屑槽產生沖擊，導致切屑被擠壓折疊，無法折斷，隨著加工的進行，最終在排屑通道中堵死，造成刀具嚴重破損。

當R=0.8 mm時，進給量為0.28 mm/r，主軸轉速為335 r/min時，切屑形狀發生改變，出現長短螺旋屑、長螺卷屑和少量的C型屑產生，如圖6c、e。這是由于斷屑槽圓弧半徑R的增大，減小了切屑對斷屑槽的沖擊，使切屑能夠順利滑過斷屑槽并產生卷曲，使切屑增加一部分附加變形，使切屑材料失去一些塑性，之后頂到孔底，切屑在彎矩作用下再變形，最后發生斷屑。但在試驗4結果所示中，加工狀況為輕微堵屑，因此說明進給量和主軸轉速對切屑形態也有影響。當進給量從0.28 mm/r增大到0.36 mm/r，主軸轉速從335 r/min增大到450 r/min時，切屑形態出現纏繞長螺卷屑、長螺旋屑，加工狀況為堵屑和刀具嚴重破損。這是由于主軸轉速的進一步增大，使切削溫度增加，材料塑性便會進一步增大，加劇了刀具磨損，導致切屑更加難折斷所產生的，如試驗5結果所示。當進給量從0.36 mm/r繼續增大到0.45 mm/r，主軸轉速從450 r/min減小到255 r/min時，出現C型屑、短螺旋屑和短螺卷屑，如圖6d所示，可沿鉆桿順利排出，無堵屑現象，加工順利。隨著進給量的進一步增大，使切削力增大，切屑厚度增加，而隨著主軸轉速的降低，導致切削溫度減小，使切屑的斷裂應變值減小，降低了刀具磨損，使切屑能夠及時折斷，形成短切屑，能夠順利排出，如試驗6結果所示。

當R=1.0 mm時，觀察試驗7～9可知，改變進給量和主軸轉速，切屑型態出現纏繞長螺卷屑和長螺旋屑，如圖6e、f所示。這主要是由于斷屑槽圓弧半徑太大，使切屑在滑過斷屑槽時的卷曲半徑增大，降低了切屑的變形，無法及時折斷，從而出現纏繞長螺卷屑和長螺旋屑，造成排屑通道堵屑，切削振動，加劇了刀具的磨損。

綜合上述分析，在深孔鉆削過程中，斷屑槽圓弧半徑的大小對切屑形態影響最為明顯。合理地選用斷屑槽圓弧半徑、主軸轉速和進給量，可以形成較理想的C型屑、短螺卷屑和短螺旋屑，保證加工的順利進行。

3 結語

基于難加工材料TA15鈦合金的深孔鉆削試驗，采用正交試驗設計方法，研究和分析了斷屑槽圓弧半徑、主軸轉速和進給量對切屑形態和切削狀態的影響，得出以下結論。

(1)在鉆削加工過程中，斷屑槽、進給量及主軸轉速的大小對切屑形態均有影響，其中斷屑槽圓弧半徑的大小對形成C型屑、短螺旋屑起主要影響作用。

(2)選取鉆頭斷屑槽圓弧半徑R=0.8 mm，機床主軸轉速n=255 r/min，進給量f=0.45 mm/r時，切屑形態主要為C型屑、短螺卷屑和短螺旋屑，排屑順暢，鉆削過程平穩。