TA15鈦合金深孔鉆削試驗(yàn)研究

馮亞洲 黃帥澎 劉雁蜀 丁云飛

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(qiáng)化機(jī)制是通過α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)化，加入中性元素Zr和β穩(wěn)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(qiáng)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(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好的優(yōu)點(diǎn)，可作為較理想的航天工程結(jié)構(gòu)材料[1]。但由于TA15鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)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(tài)下進(jìn)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(dǎo)致排屑困難，易造成堵屑，致使深孔鉆頭崩壞扭斷，嚴(yán)重影響內(nèi)孔加工質(zhì)量和降低加工效率[2]。因此，對切屑形態(tài)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(xué)者在切屑形態(tài)方面做了大量研究。張小粉等[3]通過硬質(zhì)合金槍鉆對45鋼進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，采用單因素試驗(yàn)法研究了切削速度和進(jìn)給量對切屑形態(tài)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，切削速度不變時(shí)，隨著進(jìn)給量的增大，切屑的形狀會從長帶狀變成單元狀；進(jìn)給量不變時(shí)，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(yàn)，得出轉(zhuǎn)速相同的條件下，進(jìn)給量增大會使切屑由帶狀切屑變?yōu)閱卧行肌＠钜鉡5]通過車削TA15鈦合金試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切削速度、進(jìn)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(dǎo)致材料的切削性能變差。金城哲等[6]通過仿真和切削試驗(yàn)相對比的方法研究了刀具幾何參數(shù)和切削用量鉆削高強(qiáng)度鋼時(shí)對切屑形態(tài)及切屑幾何參數(shù)的影響，分析得出增大切削速度和進(jìn)給量時(shí)，切屑形態(tài)會從長螺旋帶狀、短螺旋帶狀和寶塔狀轉(zhuǎn)變?yōu)殄F狀和崩碎狀切屑；選擇較大切削速度與進(jìn)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(zhì)量。胡寬輝等[7]通過錯(cuò)齒BTA(boring trepanning association)鉆削空心車軸試驗(yàn)，研究了不同切削參數(shù)對切屑形態(tài)及排屑效果的影響規(guī)律，結(jié)果表明，合理地選擇進(jìn)給量和切削速度，可以有效地控制切屑形態(tài)。

切削用量、刀具幾何參數(shù)在加工過程中對切屑形態(tài)均有影響。根據(jù)材料的性能，合理地選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)可以有效控制切屑形態(tài)。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(jù)鉆頭直徑的大小，將外刃分為1～3個(gè)切削刃，使切屑分成又細(xì)又長的卷屑，而此卷屑在排屑入口處交匯時(shí)又容易相互糾纏，造成嚴(yán)重堵屑，因此，需要設(shè)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(shù)為寬度W、深度H和過渡圓弧半徑R。這些數(shù)值與工件材質(zhì)、鉆頭直徑以及切削用量有關(guān)，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(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn)，研究和分析在鉆削過程中刀具斷屑槽圓弧半徑、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對切屑形態(tài)的影響，進(jìn)而獲得合理的加工工藝參數(shù)，有效提高加工質(zhì)量和效率。

1 深孔鉆削試驗(yàn)

1.1 BTA深孔加工系統(tǒng)工作原理

BTA加工系統(tǒng)是一種典型的深孔內(nèi)排屑加工系統(tǒng)，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(nèi)壁的切削區(qū)域，然后冷卻液帶動切屑從鉆頭內(nèi)部的排屑通道和鉆桿內(nèi)孔排出至容屑盒內(nèi)，切削液經(jīng)過濾沉淀不斷循環(huán)使用。因此，在BTA加工系統(tǒng)中對切屑形態(tài)的有效處理和控制是能否順利排屑的關(guān)鍵。

1.2 試驗(yàn)條件

表1 TA15鈦合金的化學(xué)成分 %

表2 TA15鈦合金的機(jī)械和物理性能

設(shè)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(yàn)設(shè)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(zhuǎn)，刀具軸向進(jìn)給的方式進(jìn)行鉆削。試驗(yàn)鉆頭采用φ30 mm單刃內(nèi)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(shè)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(jī)理如下，當(dāng)切屑從前刀面上流出時(shí)，由于帶圓弧斷屑槽的作用，使切屑產(chǎn)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?shù)娇椎祝行荚趶澗刈饔孟略僮冃危?dāng)這種變形達(dá)到足夠的程度時(shí)，則產(chǎn)生斷屑。試驗(yàn)鉆頭實(shí)物如圖5所示，鉆頭幾何參數(shù)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(nèi)斜型，使切屑卷成里松外緊的形狀。

表3 φ30 mm單刃內(nèi)排屑鉆頭幾何參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)速n和進(jìn)給量f這3個(gè)參數(shù)對切屑形態(tài)的影響規(guī)律。根據(jù)TA15鈦合金的材料性能和相關(guān)研究將因素設(shè)置成不同的3個(gè)水平，如表4所示。

表4 因素水平設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在深孔加工中，鉆削是在封閉空間下進(jìn)行的，排屑空間小，排屑條件惡劣，工件能否順利排屑是關(guān)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(yàn)設(shè)計(jì)表和試驗(yàn)加工情況表，采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行9組深孔鉆削試驗(yàn)，觀察每次試驗(yàn)的切屑形態(tài)，對鉆削過程中切屑形態(tài)的變化進(jìn)行分析比較。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

表6 試驗(yàn)加工情況表

當(dāng)R=0.6 mm時(shí)，觀察試驗(yàn)序號1、2和3可知，隨著進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速的增大，對切屑形態(tài)的影響不是很明顯，均產(chǎn)生纏繞擠壓螺卷屑，擠壓螺旋屑，如圖6a、b所示，且無法進(jìn)行正常加工，出現(xiàn)堵屑嚴(yán)重現(xiàn)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(chǎn)生卷曲，對斷屑槽產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致切屑被擠壓折疊，無法折斷，隨著加工的進(jìn)行，最終在排屑通道中堵死，造成刀具嚴(yán)重破損。

當(dāng)R=0.8 mm時(shí)，進(jìn)給量為0.28 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為335 r/min時(shí)，切屑形狀發(fā)生改變，出現(xiàn)長短螺旋屑、長螺卷屑和少量的C型屑產(chǎn)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(chǎn)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?shù)娇椎祝行荚趶澗刈饔孟略僮冃危詈蟀l(fā)生斷屑。但在試驗(yàn)4結(jié)果所示中，加工狀況為輕微堵屑，因此說明進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對切屑形態(tài)也有影響。當(dāng)進(jìn)給量從0.28 mm/r增大到0.36 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速從335 r/min增大到450 r/min時(shí)，切屑形態(tài)出現(xiàn)纏繞長螺卷屑、長螺旋屑，加工狀況為堵屑和刀具嚴(yán)重破損。這是由于主軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，使切削溫度增加，材料塑性便會進(jìn)一步增大，加劇了刀具磨損，導(dǎo)致切屑更加難折斷所產(chǎn)生的，如試驗(yàn)5結(jié)果所示。當(dāng)進(jìn)給量從0.36 mm/r繼續(xù)增大到0.45 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速從450 r/min減小到255 r/min時(shí)，出現(xiàn)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(xiàn)象，加工順利。隨著進(jìn)給量的進(jìn)一步增大，使切削力增大，切屑厚度增加，而隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低，導(dǎo)致切削溫度減小，使切屑的斷裂應(yīng)變值減小，降低了刀具磨損，使切屑能夠及時(shí)折斷，形成短切屑，能夠順利排出，如試驗(yàn)6結(jié)果所示。

當(dāng)R=1.0 mm時(shí)，觀察試驗(yàn)7～9可知，改變進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速，切屑型態(tài)出現(xiàn)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(shí)的卷曲半徑增大，降低了切屑的變形，無法及時(shí)折斷，從而出現(xiàn)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(tài)影響最為明顯。合理地選用斷屑槽圓弧半徑、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)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(jìn)行。

3 結(jié)語

基于難加工材料TA15鈦合金的深孔鉆削試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究和分析了斷屑槽圓弧半徑、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對切屑形態(tài)和切削狀態(tài)的影響，得出以下結(jié)論。

(1)在鉆削加工過程中，斷屑槽、進(jìn)給量及主軸轉(zhuǎn)速的大小對切屑形態(tài)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(jī)床主軸轉(zhuǎn)速n=255 r/min，進(jìn)給量f=0.45 mm/r時(shí)，切屑形態(tài)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(wěn)。