鈦合金振動鉆削加工參數對鉆削力影響的試驗

□ 王緒科

河南工業和信息化職業學院 機械工程系 河南焦作 454000

1 試驗背景

鈦合金作為一種具備抗高溫氧化、耐腐蝕、低彈性模量等多項優異特性的合金材料,目前已經在航空航天、高鐵、精密機械結構等領域廣泛使用[1-2]。當然,鈦合金存在難加工問題。對鈦合金進行切削加工時,會出現溫度明顯升高現象,引起金相組織發生冷硬轉變,顯著增大切削作用力,最終導致刀具產生明顯的磨損缺陷[3-4]。

現階段,許多國內外學者開展了振動鉆削方面的研究工作,也取得了一定成果。陳碩等[5]重點研究振動鉆削加工過程的切屑形成機理,在超聲振動狀態下完成201不銹鋼的鉆削測試,深入分析切屑造成的影響。姚琦威等[6]在不同振幅下對碳纖維增強復合鈦合金疊層材料開展低頻振動鉆削測試,結果顯示,采用振動鉆削可以實現碳纖維增強復合鈦合金疊層材料加工孔的孔壁質量顯著優化。

目前,只有少數學者開展了低頻振動鉆削方面的分析。筆者使用麻花鉆對Ti600鈦合金進行振動鉆削試驗,比較分析不同加工參數下振動鉆削方式和普通鉆削方式形成的切屑特征與切削力差異。

2 振動鉆削運動學特性

振動鉆削時,振動施加方向分別為軸向振動和周向振動。相比周向振動,軸向振動更容易實現對孔壁質量的控制。通過在刀具施加軸向振動后,切削刃的刀尖點運動軌跡如圖1所示[7]。

圖1 軸向振動鉆削切削刃刀尖點運動軌跡

將振動刀柄頻轉比設定為1.8,產生間斷切屑的a/s臨界值為0.81,其中,a為鉆頭振幅,s為鉆頭進給量。

鉆孔過程中,a/s并不是越大越好,需要綜合考慮材料結構特性與實際斷屑要求,在確保順暢排屑的條件下,調節a/s至與間斷切屑臨界值相近的狀態,由此獲得更穩定的鉆削性能,進而實現鉆頭工作狀態的優化,獲得鉆頭更長的使用壽命[8]。

3 試驗方案

試驗所使用的測試系統如圖2所示。鉆頭位移通過單點激光測振儀進行測量,利用LMS振動測試軟件采集振動加速度數據[9]。測力系統如圖3所示,主要由動態測力儀、測力傳感器、信號放大器、數據采集器組成,實現鉆削力和扭矩的測試。

圖2 測試系統

圖3 測力系統

鉆削試驗平臺如圖4所示。試驗時,鉆削速度為10 m/min,鉆頭振幅為0.15 mm,鉆頭進給量為0.10 mm/r,鉆孔直徑為6 mm,鉆孔深度為18 mm。判斷鉆削力的變化情況,在給定的條件下分別測試三次,從得到的鉆削力波形中選擇穩定鉆削階段中的數據計算均值。

圖4 鉆削試驗平臺

4 試驗結果

鉆削力波形如圖5所示,扭矩波形如圖6所示。常規鉆削方式下,鉆削力在入鉆階段(階段Ⅰ)發生突變。進入穩定鉆削階段(階段Ⅱ)之后,形成穩定的鉆削力,同時波動幅度減小。當鉆孔深度增大后,形成無規律變化的鉆削力,這是由于鉆孔深度增大后,加工孔內的切屑無法順利排出,受干式鉆削的影響,刀具上形成的積屑瘤使鉆削過程出現一定的波動性[10]。

圖5 鉆削力波形

圖6 扭矩波形

振動鉆削方式下,鉆削力大幅波動,形成比常規鉆削方式更大的鉆削力,可將其理解為在常規鉆削方式下新增一個動態分量[11-12]。處于入鉆階段時,發生軸向力的振蕩增大。進入穩定鉆削階段時,達到一個較為穩定的鉆削力。逐漸增大鉆孔深度時,鉆頭扭矩明顯增大,產生上述現象的原因是形成了具有正弦波特征的刀具運動軌跡,麻花鉆橫刃部位從最初的普通鉆削楔劈擠壓轉變為材料沖擊,進入穩定鉆削階段時形成具有正弦波變化特征的瞬時鉆削力,與常規鉆削方式相比,鉆削力動態分量顯著增大,更容易生成切屑。經過試驗比較可知,振動鉆削形成的鉆削力與扭矩均值相比常規鉆削方式減小10%～15%。

5 結束語

筆者進行Ti600鈦合金振動鉆削加工參數對鉆削力影響的試驗分析,得到兩方面結果。

(1) 鉆孔深度逐漸增大時,扭矩明顯增大。麻花鉆橫刃部位從最初的普通鉆削楔劈擠壓轉變為材料沖擊,顯著提升橫刃的切削性能。

(2) 與常規鉆削方式相比,振動鉆削鉆削力動態分量顯著增大,更容易生成切屑。振動鉆削形成的鉆削力與扭矩均值相比常規鉆削方式減小10%～15%。