航空用TA15鈦合金板棒材深孔鉆削試驗研究

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(wěn)定元素A1的固溶強化,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A1含量為6.58%,Mo含量為2.46%,屬于高A1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(yōu)點，可作為較理想的航天工程結(jié)構(gòu)材料。但由于TA15鈦合金導熱系數(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(nèi)孔加工質(zhì)量和降低加工效率⑵。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，許多學者在切屑形態(tài)方面做了大量研究。張小粉等通過硬質(zhì)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(tài)的影響規(guī)律,結(jié)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。李艷等通過麻花鉆鉆削304奧氏體不銹鋼試驗,得出轉(zhuǎn)速相同的條件下,進給量增大會使切屑由帶狀切屑變?yōu)閱卧行肌＠钜阃ㄟ^車削TA15鈦合金試驗，發(fā)現(xiàn)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。金城哲等國通過仿真和切削試驗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度鋼時對切屑形態(tài)及切屑幾何參數(shù)的影響,分析得出增大切削速度和進給量時，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⑺通過錯齒BTA(boringtrepanningassociation)鉆削空心車軸試驗，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(shù)為寬度卩、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鈦棒、TA15鈦板等特殊牌號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(zhuǎn)速和進給量對切屑形態(tài)的影響，進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

1.1BTA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試驗條件

工件材料為TA15鈦合金，工件總長度為1100+0.50mm,直徑為55+0-0.1mm,待加工內(nèi)孔直徑為35+0.10mm、表面粗糙度為Ra≤0.8μm，如圖2所示。TA15鈦合金化學成分及力學性能如表]與表2所示。

針對被加工零件粗糙度及尺寸要求,TA15鈦合金加工方案采用深孔鉆削、深孔鎮(zhèn)削和深孔術(shù)磨等工藝流程，具體工藝流程如圖3所示。其中鉆孔是影響該零件加工的關(guān)鍵技術(shù)，鉆削后工件的內(nèi)孔直徑為30+0.10mm,表面粗糙度為Ra≤3.2μm,之后再通過鎮(zhèn)削和研磨等工藝流程達到最終要求。本文僅針對鉆削過程進行研究分析設備選用T2120深孔鉆鎮(zhèn)床，鉆桿長度為3000mm,最大鉆削深度為2500mm,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(zhuǎn)，刀具軸向進給的方式進行鉆削。試驗鉆頭采用030mm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-2mm、深度H-0.55mm、圓弧半徑RR的取值范圍為0.6~1.0mmo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(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斶@種變形達到足夠的程度時，則產(chǎn)生斷屑。試驗鉆頭實物如圖5所示，鉆頭幾何參數(shù)如表3所示。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。

1.3試驗方法

采用正交試驗設計方法少，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和進給量f這3個參數(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)研究將因素設置成不同的3個水平，如表4所示。

2、試驗結(jié)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(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(tài)，對鉆削過程中切屑形態(tài)的變化進行分析比較。 

當R=0.6mm時,觀察試驗序號1、2和3可知，隨著進給量和主軸轉(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,且無法進行正常加工，出現(xiàn)堵屑嚴重現(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=0.8mm時，進給量為0.28mm/r,主軸轉(zhuǎn)速為335r/min時，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_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4結(jié)果所示中，加工狀況為輕微堵屑，因此說明進給量和主軸轉(zhuǎn)速對切屑形態(tài)也有影響。當進給量從0.28mm/r增大到0.36mm/r,主軸轉(zhuǎn)速從335r/min增大到450r/min時,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重破損。這是由于主軸轉(zhuǎn)速的進一步增大，使切削溫度增加,材料塑性便會進_步增大，加劇了刀具磨損,導致切屑更加難折斷所產(chǎn)生的，如試驗5結(jié)果所示。當進給量從0.36mm/r繼續(xù)增大到0.45mm/r,主軸轉(zhuǎn)速從450r/min減小到255r/min時,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(zhuǎn)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(jié)果所示。

當R=1.0mm時,觀察試驗7~9可知，改變進給量和主軸轉(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(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(jié)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(zhuǎn)速和進給量對切屑形態(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=0.8mm,機床主軸轉(zhuǎn)速門=255r/min,進給量/=0.45mm/r時,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)。

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第一作者：馮亞洲，男,1984年生，博士，講師，主要研究領域為弱剛性復雜曲面零件自適應加工、難加

工材料深孔加工切削機理等。已發(fā)表論文10余篇。

E-mail:asian5921@126.com通訊作者:黃帥澎，男,1995年生，碩士研究生，主要從事深孔加工技術(shù)方面的研究。E-mail:739919657@qq.com