三臺階鉆超聲輔助鉆削Ti6Al4V 的加工質量研究

陳國慶，王大中

（201600 上海市 上海工程技術大學）

0 引言

TC4 鈦合金具有優異的耐腐蝕性、密度小、比強度高、焊接性好等優點，已成功應用于航空航天、石化、造船等行業。在機械加工過程中，鉆孔是重要過程，幾乎涉及鈦合金的所有應用。在常規鉆削中，鉆頭周圍通常包裹著連續的切屑，這對加工效率和刀具壽命有重大影響。TC4 鈦合金的特性使得生產的切屑不太可能破裂。盡管已經提出了很多創新性的刀具[1-2]，但無法保證加工質量，查詢相關文獻，對三臺階鉆加工Ti6Al4V 的研究幾乎沒有。

本研究利用仿真軟件進行超聲振動輔助鉆削，研究不同參數下對鉆削鈦合金的過程的影響。本研究分析了超聲振動的運動學特性，給出了常規鉆削與超聲振動輔助鉆削的運動曲線。對比了不同切削參數下常規鉆削與超聲振動輔助鉆削對Ti6Al4V 加工質量的影響。本文主要從推力、溫度、切屑和刀具磨損方面進行探討，希望得到更好的加工質量。

1 超聲輔助鉆削的運動學特性

UAD 是一種新穎的加工方法，通過在刀具上添加高頻振動來去除工件，使切屑斷裂，提高加工質量和加工效率。其原理是給刀具添加一定的振幅和頻率，改變刀具的進給速度。

在鉆頭上增加超聲軸向振動，其模型如圖1 所示。圖1 中：n——鉆頭的轉速；fz——鉆頭進給速度；A——振幅；f——振動頻率。

圖1 超聲振動鉆削中鉆頭模型圖Fig.1 Model drawing of drill bit in UAD

如果鉆孔半徑為R，則UAD 在某一時間的三維坐標為[3]

常規鉆削加工某時刻的三維坐標為

某時刻鉆頭鉆過的角度為θ，X-Y 平面為工件加工面，Z 軸為鉆頭在進給方向上的垂直位移。圖2 顯示了常規鉆削與超聲輔助鉆削的運動螺旋曲線示意圖。

圖2 刀刃的運動軌跡Fig.2 Movement track of blade

2 振動鉆削模型

在超聲輔助鉆削過程中，鉆頭被施加振幅和高頻（f＞20 kHz）。其加工過程中的振動模型如圖3 所示。進給方向的速度Vf可以表示為

圖3 振動加工工藝Fig.3 Machining process with vibration

式中：Vf——鉆頭進給量，mm/r；n——鉆頭的轉速；A——振幅；f——振動頻率。

對于鉆頭的刀刃上的點，即與鉆頭中心線距離為r 的刃上的點，其旋轉切速度Vc可以表示為

電氣性能是儀表電纜測試時的重要內容，主要包括直流電阻、絕緣電阻和沖擊電壓試驗等[18]，在文獻[1-4]中均有詳細的規定。結構尺寸、機械性能、物理性能等也需滿足儀表電纜所執行的標準中規定的要求。對于阻燃、耐火、耐油、耐紫外線等特殊要求，相關的國內外測試標準見表2所列。

式中：Vc——旋轉切速度；n——鉆頭的轉速；

則總的切削速度可以表示為

3 實驗與仿真模擬

3.1 三臺階鉆頭的設計

使用三維建模軟件繪制的麻花鉆和三臺階鉆如圖4 所示。2 個鉆頭的點角均為2θ。ψ和D 分別是鉆頭的螺旋角和直徑。在麻花鉆的基礎上，將三臺階鉆頭分為三級，作為主切削刃。每個臺階較長部分的刃口角度為2θ，較短部分的刃口角度較小。三臺階鉆產生的切削力是幾個部分的總和，如鑿刃和主切削刃[4]。鉆頭各參數的尺寸如表1 所示。

圖4 2 種鉆頭的結構Fig.4 Geometry of the two kinds drill

表1 鉆頭參數Tab.1 Drill bit geometry

3.2 建模與仿真過程

有限元模擬有助于模擬切削過程，模型參數決定了加工質量。本研究中選擇的式（6）中的約翰遜庫克材料模型[5]通常用于金屬切削，此外它是應變、溫度和應變率的函數。它非常適用于高應變和大塑性變形的加工過程。模型中刀具和工件的性能參數如表2 所示。

表2 Ti6Al4V 和WC 的熱機械性能Tab.2 Thermo-mechanical properties of Ti6Al4V and WC

式中：σ——等效流動應力；ε——等效塑性應變；ε0——參考應變率；T——工件溫度；Troom——工件室溫；Tmelt——工件熔化溫度。

Ti6A14V 的機械和熱性能如表3 所示。

表3 Ti6Al4V 的材料常數Tab.3 Material constants for Ti6Al4V

有限元法廣泛應用于金屬切削加工中，可以對三級鉆頭的鉆削質量進行監測。有限元法的應用不僅可以節約成本，提高效率，而且可以與實驗相互驗證。圖5 顯示了通過FEM 分析獲得的鉆孔Ti6Al4V 模型的示意圖。

圖5 有限元模型和約束的設置Fig.5 The setting of finite element models and constraints

根據式（6），超聲波輔助鉆孔的速度不同，它以近似函數曲線移動，受進給速度、速度、振幅和頻率的影響。該模擬中獲得的速度曲線如圖6所示。

圖6 超聲輔助鉆進速度隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curve of velocity with time in ultrasonic assisted drilling

3.3 實驗研究

圖7 鉆床實驗設備圖Fig.7 Drilling machine experimental equipment

考慮到定制鉆頭的材料，使用了3 種不同的進給速率（0.2，0.3，0.4 mm/r）。試驗在50 m/min的切削速度下進行。實驗加工參數如表4 所示。

表4 實驗加工參數Tab.4 Experimental parameters for drilling

4 結果與討論

4.1 鉆削軸向力的對比分析

臺階鉆的研究主要為研究復合材料的鉆削力、切屑形狀和層壓。在Ti6Al4V 的鉆孔中，發現在第1 個階梯之后的第2 個階梯上切削刃上的壓力相對較小[6]，因此改進后的臺階鉆分為3 步，希望研究用較低的鉆削力來切割鈦合金材料。

本文比較了常規鉆削（CD）和超聲輔助鉆削(UAD)時推力的變化。研究了麻花鉆和三臺階鉆在不同條件下的推力變化，如圖8 所示。在常規鉆削條件下，麻花鉆和三臺階鉆推力波動穩定在230 N，而在超聲輔助鉆削條件下，三臺階鉆的波動很小，小于100 N。更換了幾組數據，比如將進給量調大，結果表明超聲輔助鉆削的鉆削推力遠小于常規鉆削的鉆削推力。

圖8 常規鉆削與超聲輔助鉆削下鉆削力的變化Fig.8 Variation of drilling force under conventional drilling and ultrasonic assisted drilling

本次研究關注了推力隨進給量與轉速變化的情況。通過模擬實驗分析，推力隨著進給量的增大而增大，如圖9 所示。其中，麻花鉆推力變化最大，超聲輔助鉆削下的三臺階鉆推力變化最小，與麻花鉆相比降低了22%～28%；隨著轉速增大推力降低，這些都符合鉆削推力變化的預期。綜上所示，超聲輔助鉆削能夠降低鉆削力。

圖9 鉆削力隨進給量和主軸轉速的變化情況Fig.9 Drilling force changes with feed rate and spindle speed

4.2 鉆削切屑形態對比分析

在相同鉆削條件下，超聲輔助三臺階鉆削產生的切屑從一開始就不同于其他2 種常規鉆削條件（CD）。超聲輔助鉆削（UAD）下的切屑厚度和長度變薄變短[7]，這主要是由于超聲輔助鉆削具有良好的斷屑機理。進給速度的變化導致鉆削方向周期性變化，鉆井溫度快速升降，進而改變工件性能，如強度和硬度，再次鉆孔時切屑很容易斷裂。如圖10 所示，在增加超聲輔助鉆削后發現，切屑在排出后不久就因進給速度變化而很快斷裂，而且切屑也變得很薄。在進給一段時候后，切屑形態不再是螺旋狀，而呈現帶狀。超聲輔助鉆削可以有助于切屑的斷裂和排出，對加工質量有積極影響。

圖10 常規鉆削與超聲輔助鉆削下的切屑形態的比較Fig.10 Comparison of chip morphology between conventional drilling and ultrasonic assisted drilling

如圖11 所示，在相同進給速度下，切屑厚度隨主軸轉速的增加而減小。

圖11 主軸轉速對切屑厚度的影響Fig.11 Effect of spindle speed on chip thickness

與傳統三臺階鉆削相比，超聲輔助三臺階鉆削切屑厚度減小了11.12%～18.03%。綜上所述，超聲輔助鉆削不僅可以破碎切屑，而且可以減小切屑厚度。

5 結語

本次研究重點對比了超聲輔助鉆削三臺階鉆頭與常規鉆削加工質量的優劣，得到以下結論：（1）三臺階鉆鉆頭的推力明顯低于常規鉆頭；（2）超聲輔助鉆削三臺階鉆產生的切屑厚度比常規三臺階鉆減少了19.2%～26.1%；（3）由于超聲輔助鉆削的進給速度周期性變化，切屑變得更容易斷裂；（4）超聲輔助鉆削加工質量更好。此外，主軸轉速的提高也會影響切屑形態。