鈦合金軸向超聲振動微鉆削的鉆削力與毛刺研究*

朱徐輝，董志國，丁艷紅，劉沛林，侯張敏

(太原理工大學 a.機械與運載工程學院；b.精密加工山西省重點實驗室，太原 030024)

0 引言

TC4鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性、密度小、比強度高及較好的韌性和焊接性能等一系列優(yōu)點，在航空、造船、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1-2]。但是，在鈦合金普通微鉆削加工過程中，由于鈦合金屬于難加工材料且半封閉的微孔鉆削加工會存在排屑難、斷刀等問題，使得產(chǎn)生較大的出口毛刺，其嚴重影響微孔與精密件的裝配精度，而且較大的出口毛刺去除需要耗費大量的人力和時間成本[3-4]。利用超聲振動鉆削研究鉆削力和改善出口毛刺正得到廣泛關(guān)注。

近年來國內(nèi)外學者在鉆削方面的研究主要集中在鉆削力、毛刺尺寸、切屑等方面。安熠蔚等[5]用3 mm直徑硬質(zhì)合金麻花鉆鉆削TC4鈦合金進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速可以降低鉆削軸向力，并試驗出鉆孔形貌質(zhì)量較好的工藝參數(shù)。EITAGGAZ等[6]對TC4鈦合金進行了連續(xù)鉆削和啄鉆試驗比較，在同樣加工參數(shù)條件下，啄鉆表現(xiàn)出更小的刀具磨損，軸向力，扭矩以及更低的出口毛刺高度。聶倩倩等[7]通過對304不銹鋼進行超聲輔助鉆削仿真和試驗研究，發(fā)現(xiàn)超聲鉆削可以改善微孔形貌和入口毛刺，超聲鉆削力比普通鉆削力減小了5.4%。LI等[8]對7075-T6鋁合金進行低頻輔助振動試驗研究，結(jié)果表明與普通鉆削相比，低頻振動鉆削平均毛刺高度降低了49.5%～52.6%，振幅對毛刺高度的敏感度最高。

本文通過對TC4鈦合金進行軸向超聲振動微鉆削和普通鉆削仿真與試驗研究，分析軸向超聲振動鉆削的切削特性，研究工藝參數(shù)對鉆削軸向力的影響規(guī)律，并對比普通鉆削和軸向超聲振動鉆削的平均軸向力和出口毛刺，對研究TC4鈦合金微鉆削加工工藝具有重要價值。

1 軸向超聲振動微鉆削基本原理

如圖1所示，軸向超聲振動微鉆削是在z方向上施加超聲振動，使得切削刃的運動軌跡不再是一條普通的三維螺旋線軌跡，而是一條帶有周期性正弦波動的三維螺旋線，在刀具與工件切削時實現(xiàn)切削刃與工件材料的周期性分離切削。

圖1 軸向超聲振動鉆削原理

微鉆削的切削尺度小，每齒進給量和刀刃半徑處于一個數(shù)量級，刀具在切削工件時會產(chǎn)生耕犁和擠壓現(xiàn)象，使得工件材料容易粘附在刀刃上進而刀具形成負前角切削，降低孔加工的質(zhì)量[9]。采用超聲振動輔助微鉆削，使刀具在高頻脈沖激勵下，刀具和工件實現(xiàn)周期性接觸分離，這種非連續(xù)性切削狀態(tài)，可以減小切削力，促進切屑的流動排出，提高切削能力，改善加工質(zhì)量。

普通鉆削和軸向超聲振動鉆削切削刃上任意一點相對于工件的運動軌跡方程式分別如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中，A為超聲振幅，mm；f為振動頻率，Hz；r為主切削刃上任意一點至鉆頭軸線的距離，mm；v為軸向進給速度，mm/r；n為轉(zhuǎn)速，r/min；ω為角速度，rad/s；φ0為初始相位，rad。

當A=0.003 mm，f=20 000 Hz，r=0.9 mm，v=3 μm/r，n=6000 r/min，φ0=0時，使用MATLAB軟件繪制出切削刃最外側(cè)一點的運動軌跡如圖2所示。

(a) 普通鉆削 (b) 軸向超聲振動鉆削圖2 鉆頭切削刃最外側(cè)點運動軌跡

對式(2)進行關(guān)于時間t求導，可得到軸向超聲振動鉆削刀具主切削刃上任意一點的速度表達式為：

城市天際線的概念最早由Montgomery Schuyler提出，用于描述19世紀末高層建筑興建所形成的城市垂直空間景觀。自此，城市天際線成為近現(xiàn)代城市設計理論的研究重點之一。 Kevin Lynch（1960）在《城市意象》中關(guān)于城市邊界的理論闡述可以認為是城市天際線理論的基礎(chǔ)[4]。Michael Trieb（1974）在《城市設計——理論與實踐》中對城市天際線的構(gòu)成形式進行了分析，為現(xiàn)代城市天際線的研究提供了理論依據(jù)[5]。Wayne Attoe（1981）提出天際線的美學體驗取決于自身形式、周圍環(huán)境及觀賞者的主觀解讀3個因素，拓展了天際線認知理論[6]。

(3)

刀具主切削刃上任意一點的切削速度vh為：

(4)

對軸向超聲振動鉆削刀具主切削刃上任意一點的速度式(3)進行求導，可得刀具主切削刃上任意一點的加速度表達式為：

(5)

由式(6)可得到軸向超聲振動鉆削刀具主切削刃上任意一點的合加速度ah為：

(6)

由以上表達式推導可得軸向超聲振動鉆削鉆頭主切削刃的速度和加速度的方向、大小隨著加工時間t具有周期性的變化，而普通鉆削鉆頭的主切削刃的速度，加速度保持恒定。并且軸向超聲振動鉆削鉆頭主切削刃的切削速度和合加速度大于普通鉆削鉆頭的主切削刃的切削速度和合加速度，表明軸向超聲振動鉆削鉆頭的主切削刃在局部加工區(qū)域具有瞬時的變速、變向、加速度沖擊特性。在加工區(qū)域，切削特性的瞬時改變，可以增強刀具的切削性能，加快局部待加工工件表面的材料變形，以提高局部材料的去除速率，減少工件的整體變形，降低毛刺尺寸。

2 鉆削仿真

2.1 仿真前處理

為了研究軸向超聲振動微鉆削技術(shù)，基于DEFORM-3D仿真軟件建立軸向超聲振動微鉆削仿真模型。因為只有鉆頭的橫刃和主切削刃參與切削，所以僅將鉆頭的較短長度引入到鉆削仿真模型中，減少鉆頭的網(wǎng)格數(shù)量，提升計算效率。并對工件進行預制錐孔處理，使錐孔的角度和鉆頭頂角一致，這樣使刀具可以快速進入穩(wěn)態(tài)鉆削階段。工件視為塑性體，刀具視為剛體，工件材料為Ti6Al4V，尺寸為φ1.1 mm×0.23 mm的圓柱體。麻花鉆刀具直徑為φ0.9 mm，材料為硬質(zhì)合金鎢鋼(WC-Co)。工件的材料參數(shù)如表1所示。

表1 刀具和工件材料物理參數(shù)

刀具的橫刃和切削刃以及工件的預接觸部分采用精細化網(wǎng)格劃分，以提高計算的準確性，如圖3所示。

圖3 鉆削有限元模型 圖4 刀具軸向運動函數(shù)圖像

鉆削仿真工藝參數(shù)如表2所示。

表2 鉆削仿真工藝參數(shù)

2.2 材料本構(gòu)模型修正

因為金屬切削是一個動態(tài)的過程，伴隨著大應變，大應變率以及材料的熱效應，所以Johnson-Cook本構(gòu)模型可以用來定義材料的變形[10]，其表達式如下：

(7)

然而，本文中0.9 mm鉆頭屬于微切削，該JC本構(gòu)方程不能完全適用于具有尺度效應和最小切削理論的微切削情形，需要對該JC本構(gòu)方程進行修正，修正后的本構(gòu)模型表達式如式(8)所示[11]。

(8)

TC4鈦合金材料的本構(gòu)參數(shù)如表3所示[12]。

表3 TC4鈦合金材料的本構(gòu)參數(shù)

2.3 仿真切削力分析

轉(zhuǎn)速為6000 r/min,進給速度為3 μm/r時普通微鉆削和超聲振動微鉆削軸向力曲線如圖5和圖6所示。因為本仿真有預制錐孔設計，故圖5的普通鉆削可以較快的達到穩(wěn)定鉆削階段，因普通鉆削刀具一直與工件接觸式切削，鉆削軸向力穩(wěn)定在17 N范圍內(nèi)波動。由圖6容易看出，軸向超聲振動鉆削的軸向力呈周期性的變化，在一個振動周期中，當軸向超聲振動的刀具遠離工件時，刀具的切削刃不參與切削，軸向力減小，當?shù)毒呖拷ぜr，橫刃和主切削刃沖擊工件，軸向力增大。軸向超聲振動的平均軸向力為12 N左右，相較于普通鉆削軸向力降低了29%左右。

圖5 普通鉆削軸向力仿真 圖6 超聲振動鉆削軸向力仿真

3 試驗分析

3.1 試驗裝置

普通鉆削和軸向超聲振動鉆削試驗在HAAS VF-2三軸立式加工中心上進行，試驗方案如圖7所示，厚度為1 mmTC4工件固定在超聲振動工作臺上，超聲振動工作臺的振動頻率為20 kHz,振幅為3 μm，超聲振動工作臺安裝在Kistler9119AA2測力儀上，測力儀固定在機床工作臺上，通過Edmund-USB2.0顯微鏡觀察微鉆削加工整個過程。

圖7 微鉆削試驗裝置

3.2 試驗鉆削力分析

轉(zhuǎn)速為6000 r/min,進給速度為5 mm/min時，普通微鉆削和超聲振動微鉆削試驗軸向力曲線如圖8和圖9所示。在圖8普通鉆削的初始階段，刀具橫刃的切削性能差，刀具一與工件接觸，軸向力急劇增大，此時刀具發(fā)生彎曲，出現(xiàn)定心微量偏移，使軸向力急劇減小。隨著時間推移，刀具一直與工件接觸式切削，當進入到主切削刃為主導的切削時，軸向力逐漸達到穩(wěn)定切削狀態(tài)，且在18 N范圍內(nèi)波動。圖9軸向超聲振動鉆削的軸向力擺動幅度大于普通鉆削軸向力擺動幅度，且呈周期性的變化，平均軸向力約為12 N，相較于普通鉆削軸向力降低了36%左右，與仿真分析結(jié)果一致。

圖8 普通鉆削試驗軸向力 圖9 超聲振動鉆削試驗軸向力

如圖10所示為6000 r/min恒定轉(zhuǎn)速下，軸向力隨進給量變化曲線圖。圖中每個點代表穩(wěn)定鉆削階段的平均軸向力，如圖軸向力隨進給量的增加而增加，這是因為進給速度增加，每轉(zhuǎn)切削厚度增加，導致鉆頭所受軸向力增加。軸向超聲振動的平均軸向力小于普通鉆削的平均軸向力，是因為在軸向超聲振動微鉆削時，工件在高頻脈沖的作用下，使刀具沖擊工件，工件材料發(fā)生裂紋，有利于材料的去除，與仿真結(jié)果一致。

圖10 微鉆削平均軸向力隨進給速度變化

3.3 毛刺分析

如圖11所示加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速6000 r/min,進給速度7 mm/min時，在超景深顯微鏡下所拍攝的微鉆削出口毛刺顯微照片。

(a) 普通鉆削 (b) 超聲振動鉆削圖11 出口毛刺顯微照片

圖11a為普通鉆削形成的毛刺，圖11b為超聲振動鉆削形成的毛刺，顯然普通鉆削形成的毛刺排布不均勻，一側(cè)的毛刺偏大，一側(cè)的毛刺偏小，而超聲振動鉆削形成的毛刺排布均勻，此現(xiàn)象是因為在普通鉆削時，鉆頭直徑小，剛度較差，入鉆時鉆頭在持續(xù)軸向力的作用下容易發(fā)生彎曲偏移，致使工件材料的塑性流動向一側(cè)發(fā)生偏移，從而形成不均勻毛刺。而超聲振動鉆削時，在高頻脈沖激勵作用下刀具與工件材料發(fā)生周期性的接觸分離，當鉆頭入鉆發(fā)生彎曲時，刀具會和工件分離，使鉆頭恢復到原狀態(tài)，然后繼續(xù)入鉆，周期性的反復直至鉆削結(jié)束，因此超聲振動鉆削的定心精度高，毛刺排布較均勻。

4 結(jié)論

通過對TC4鈦合金板進行0.9 mm微孔鉆削仿真和試驗研究可得出以下結(jié)論：

(1)仿真和試驗的超聲振動鉆削穩(wěn)定鉆削階段軸向力擺動范圍大且呈周期性變化，普通鉆削穩(wěn)定鉆削階段軸向力趨于穩(wěn)定且呈無規(guī)則變化。

(2)軸向超聲振動微鉆削的穩(wěn)定鉆削階段軸向力在高頻脈沖的作用下，其平均軸向力相較于普通鉆削可降低30%左右。

(3)軸向超聲振動微鉆削的刀具與工件發(fā)生周期性的接觸和分離，可以使出口毛刺分布更加均勻。