鈦合金螺旋銑孔的切削力和切削溫度（dù）試驗（yàn）研究
2017-2-21 來源：大連理工大學精密與特種加工教（jiāo）育部重點實驗 作者：王歡，董誌剛，康仁科，楊國（guó）林，謝海龍（lóng）
摘要:螺旋銑孔技術是航空裝備製造領域新出現的製孔技術，因具有加工質量好、效率高等優點（diǎn）被（bèi）用於加工鈦合金、複合材料等難加工材料。采用包括切削速度、切（qiē）向每齒進給量、軸向每齒進給量和螺旋導程4個基本加工參數描述螺旋（xuán）銑孔過程，分析了基本參數和螺旋銑孔輸入加工參數(自轉、公轉、進給)之間的關係。在自行研製（zhì）的螺旋（xuán）銑孔試驗平台（tái）上開展了鈦合金材料的（de）加工試驗，研究了鈦（tài）合金螺旋銑孔加工中切削溫度及切削力的特征，以及基本加工參數對切削溫度和切削力的影響規律。試驗（yàn）結果表明，在螺旋導程（chéng）一定時，切削溫度主要由切削（xuē）速度決定，而與軸向每齒進給量及切向每（měi）齒進給量無明顯關係；而切削力的影響規律與切削溫度（dù）相（xiàng）反。切削溫度（dù）是影響（xiǎng）螺旋銑孔過程中刀具（jù）磨損及加工（gōng）孔質量的主（zhǔ）要因素。在需同時保證加工效率及加工質量的前提下（xià），應盡量選擇大的切向每齒進給量、大的軸向每齒進（jìn）給量和較低的切削速度。
關鍵（jiàn）詞：鈦合金；螺旋銑孔；切削溫度（dù）；切削力
鈦合金具有比強度（dù）高、熱強度好、耐腐蝕、良好的低溫性能，與纖維增強複合材（cái）料（liào）相容性好及儲藏資源豐（fēng）富等優點（diǎn），廣泛應用於航空航天、國防軍工等領域，如飛機的機翼、蒙皮、艙（cāng）段等（děng）。連接孔的加工是鈦合金（jīn）構件上最典型和重要的加工之一卜21。由於鈦合金材料的（de）難加工特性，采用傳（chuán）統的麻花鑽工藝製孔時，容易形成孔（kǒng）壁熱損傷，並存在（zài）鑽削質量低、孔壁表麵質量差等問題。螺旋銑孔技術是航空裝備（bèi）製造領域新興的高效、高質（zhì）量製孔技術。螺旋（xuán）銑孔采用立銑刀，以螺（luó）旋軌跡方式進給加工出比刀具直徑大（dà）的孔。與傳統的鑽孔技術相比，螺旋銑孔技術具有很多優點：軸向力小；可以實現一種刀具加工不同直（zhí）徑孔，減少刀具種類；切屑不連續，排屑空間大，切屑能更好排出，減少切（qiē）屑與已加工表麵的（de）摩擦，從而提高加工（gōng）表麵質量；斷續的加工過程有（yǒu）利於刀具散熱，能夠降低刀具磨損，延長刀具使用壽命等卜81。國內（nèi）外在螺旋銑孔末端執行器開發一一01、螺旋銑孔工藝研究。131和專用刀具研製等方麵開展了大量工（gōng）作。
切削力和切削溫度是切削加工中重要的過程（chéng）參數，對鈦合（hé）金材料（liào）製孔精度和加工質量有重（chóng）要影響，國內外學者對鈦合金切削加（jiā）工的切削力和切削溫度進行（háng）了大量研究。作（zuò）為一種重要的（de）製孔方式，螺旋銑孔加工自出現以來也受到了國（guó）內外研究人員的關注（zhù）。從加工幾何學角度分析，螺旋銑孔加工過程（chéng）中銑刀（dāo）同時做公（gōng）轉、自轉和進給運動，加工時同時存在底（dǐ）刃的連續切削及側刃的斷續切削，其未變形切屑的幾何形狀（zhuàng）和尺（chǐ）寸與切削（xuē）參數之間存在定量的關係。通過研究銑刀（dāo）側刃切削（xuē）與底刃（rèn）切削去除量之間的關係發現，在銑刀形狀固定的條件下，銑刀側刃切削去除材料和底刃切削去除材料間的比例僅與刀具直徑和加工孔徑有關，該比例對軸向切削力、加工溫度和質量（liàng）有（yǒu）直接影響。螺旋銑孔加工過程中工件上（shàng）任一點的溫升是銑刀端（duān）刃（rèn）切削生熱與（yǔ）側刃切削生熱同時作用的結果，結合螺旋銑動力學分（fèn）析和傳（chuán）熱學理論可建立螺旋銑孑L三（sān）維溫度預測模型並分析螺旋銑孔切（qiē）削溫度特征。利用上述模型分析螺旋銑孔溫（wēn）度發現，主軸轉速與（yǔ）螺旋導程增加時切削溫度升高，且熱源與測溫點越接近時，測（cè）量（liàng）溫度越高心。
上述模型為理解螺旋銑（xǐ）孔加工機（jī）理（lǐ）提供了（le）有益參考，但由於建模過程（chéng）中對熱源的簡化以及求解過程的簡化，在描述螺（luó）旋（xuán）銑孔切削溫度數值及分布規律（lǜ）準確性方麵還（hái）需係（xì）統的試驗驗（yàn）證。在試驗研究（jiū）方麵，采用螺旋（xuán）銑孔（kǒng）及（jí）傳統鑽孔兩種方法在鋁合金、鈦合金、纖維增強（qiáng）複合材料上進行（háng）製孔加工，從切削力、孑L壁質量、熱損傷和機械損傷等方麵進行對（duì）比發現，與（yǔ）傳統的鑽孑L工藝相比，螺旋銑孑L方法在減小（xiǎo）切削力、控製切削溫度、保證製孔質量等方麵均具有明顯優勢。
目前國（guó）內外對鈦合金螺旋銑孑（jié）L技術的試驗研究多集中（zhōng）於（yú）一種加工參數下與傳統鑽孔的對比研究，而對於螺旋銑（xǐ）孑L的重要切削參（cān）數如切削速（sù）度、軸向（xiàng）及切向每齒進給量等對（duì）於切削溫度及切削力的影響規律尚不明（míng）確。鑒於切削力和切削溫（wēn）度對螺旋銑孔工藝過程（chéng）和製孔質量的重要（yào）影響，尤其是對於易形成熱（rè）損傷的鈦（tài）合金（jīn）材料來說，係統研究螺旋銑削過程的力和溫度（dù）特征，分析基本切削參數對其影響的規律十分必要（yào）。
本文分析（xī）螺旋（xuán）銑孑L加工中銑刀端刃和側（cè）刃切削（xuē）形成（chéng）切屑的形（xíng）狀參數及其與加工參數之間的關係，在此基礎上設計螺旋銑孔切削力和切削溫度在線檢測方案，開展鈦合金材料螺旋銑（xǐ）孑L加工試驗，檢測加工過程中的切削（xuē）力和切削溫度，對比研（yán）究不同參數下刀具磨（mó）損（sǔn）狀態及（jí）加工孔出口形貌，以（yǐ）期明確影響鈦合金螺旋銑孑L加工質量的主要（yào）因素和規律，這對理解螺旋銑（xǐ）孔加工機理，確定合理的加工參數具有指（zhǐ）導意義。
1.試驗設計
1．1加（jiā）工參數的選擇（zé）
螺旋銑孔原理如圖l所示，刀具中心的軌跡是（shì）螺旋線，加工運（yùn）動由刀具高（gāo）速自轉、刀具繞加工孔中心公轉及刀具沿軸向方向直線進（jìn）給3個運（yùn）動組合（hé）而成喁l。螺旋銑孔的未變形切屑如圖2所示（shì），包括底（dǐ）刃切削形成的連續切屑及側刃切削形成的斷續切（qiē）屑兩部分。當刀具確定後，螺旋（xuán）銑孔未變形切屑的形狀及尺寸由（yóu）切向（xiàng）每
圖2未變形切屑
表1 試驗參數及切削條件
圖3螺旋銑子L裝置
心量（liàng）為6mm。螺旋銑孔單元安裝於二維工作台上（shàng），二維工作台可提供軸向和徑向兩個方向的最高進給速度均為500mm／min。所用試驗材料（liào）為厚度7mm的Tc4鈦合金板。采用氮化矽（guī）納米塗層的鎢鋼立（lì）銑刀進行螺旋銑孔試驗，銑刀參數如表2所示。由於測力儀及熱電偶安（ān）裝方式的限製，測溫（wēn）及測力試驗在加（jiā）工參（cān）數、刀具（jù）及工件材（cái）料相同的情況下分別（bié）進行。
表2刀具參數
采用YDCB—III三（sān）向測（cè）力儀檢測切削力，測得的信號經過電荷放大器LN586lA處理後，利用數據采集卡PCI9118DG進行數（shù）據采集。采用標（biāo）準K型鎧裝熱電偶檢測切削溫度，熱電偶直徑0．5mm，熱響應時間0．2s，允差等級0．4。熱電偶檢測的信號通過（guò）NI uSB一（yī）9213測溫模（mó）塊放大後，由cDAQ一9174 UsB機箱通過usB數據線（xiàn）傳輸給計算機，該測溫模塊具有內置冷端溫度補償功能（néng）及標準熱電偶的電勢一溫度標定程序。熱（rè）電偶安裝在螺旋銑（xǐ）孔的（de）出口側直徑0．6mm、深2mm的小孔中，小孔中心（xīn）與待加工（gōng）孔中心距6mm，如圖4所示。熱電偶及小孔孔壁的空隙填（tián）充導熱膠以提高導熱性。采用如圖5所示的方法標（biāo）定測量點與加工孔孔壁之間溫度差。首（shǒu）先在鈦合金板上加（jiā）工一個直徑lomm的通（tōng）孔，在孑L內通過過盈配合插入（rù）一個紫銅棒，距紫（zǐ）銅棒外（wài）緣0．1mm處加工一個直（zhí）徑0．6mm、深度2mm的（de）小孔。在如圖5(a)所示與之相對的鈦合金孑L壁邊緣位置同樣加（jiā）工一個直徑0．6mm、深度2mm的小孔。將熱電偶I、熱電偶Ⅱ分別插入紫銅（tóng）棒（bàng）及鈦合金的小孑L中，而非絕對值，因此標定誤差（chà）可以忽略。
圖4熱電偶安裝示意圖
圖5螺旋銑孔切削溫度標定裝（zhuāng）置
圖6熱電偶I和II測量溫度對比
2.試驗結果
2．1 典型切（qiē）削溫度曲（qǔ）線
圖7所示（shì）為一條典型的（de）切削（xuē）溫度隨時間變化的曲（qǔ）線，螺旋銑（xǐ）孔參數Vc=40lTl／min，．fzt=40μm，ap=o．6mm。在4點以（yǐ）前，切削（xuē）尚未開（kāi）始，采集室溫。A曰段曲線對應刀具開始切人（rén）工（gōng）件直至切到與熱電偶距離最近的過程。在這一階段，刀具在軸線方向上逐漸接近熱電偶的測（cè）溫點，傳人（rén）測溫點（diǎn）的熱量不斷增加，使測量溫度逐漸升高直至（zhì）達到溫度最高值（zhí）。BC段（duàn）曲線對應刀（dāo）具切過（guò）測（cè）溫點（diǎn）直至切出工件的階段，隨著刀具與測溫點在軸向方向的遠離，由於材料不（bú）斷被去除（chú），散熱麵積增加，散出的熱量大於傳人測溫點的熱量，測量點溫度下降。c點以後（hòu）的曲（qǔ）線對應刀具切出（chū）工件後的（de）階（jiē）段，切削加工停止，工件（jiàn）在空氣中快速冷卻，直至接近室溫。4c段溫度曲線呈現（xiàn）波浪式變（biàn）化，起伏的幅度隨著切削溫度的增加而增加，波動周（zhōu）期（qī）保持恒定為f，。在後續的數據處理中（zhōng），選取每次（cì）采集到的最大值咒作為最終切削（xuē）溫度。
2.2典型（xíng）切削力曲線
圖8所示為加工參數Vc=40m／min，fzt=40μm，
圖7典（diǎn）型（xíng）切削溫度曲線
圖8典型切削力曲線（xiàn）
ap=0．6mm時采集到（dào）的3向（xiàng）切削力曲（qǔ）線。定義z向為刀具軸（zhóu）線方向，工件表麵為xoy平麵。由圖8可見，軸（zhóu）向力F：大於徑向力F。及F。。在切削開（kāi）始時，由於刀具和（hé）工件突然接觸，軸（zhóu）向切削力疋由零跳躍至226N，並在接下來的2s左右的時間內下降至185N。隨後的穩定切削段內，，，逐漸下降，下降速度約為2．94N，s，直至切出工件。在切削刃切透工件的最後（hòu）約2s時間內，軸向切削力快速降低直至為零。在後續討論中，將圖8中從切削（xuē）力（lì）穩定至切削結（jié）束的階段作為有效（xiào）切削力段（duàn），並去除開始2s及結束前2s中的不穩定數（shù）據（jù），分別取該階段的平均值、最大值和最（zuì）小值（zhí）作為軸向切削力凡的均值及上下誤差範圍進行（háng）對比（bǐ）討論。切向力隻、F。在切削開始前為零，在切削周期內出現周期性波動（dòng），其波動幅值逐漸增加，波動周（zhōu）期為定值，與切削溫度波動周期相同。在整（zhěng）個切削（xuē）階段，以及每個波動周期內，B、R大小及（jí）變化趨勢一致，但存在0．56s的時間差。測力儀采集到的x方向及（jí）y方向切削（xuē）力在x緲平麵內互呈90。，將其按式（shì）(1)合成得到合力F，，由圖8可見，徑向合力f隨著時間逐漸增加（jiā）。
在後續討論中，同樣將切削階段去除不穩定階（jiē）段數據作為有效數據（jù），取（qǔ）該段內F的平均值、最大值和最小（xiǎo）值作為切向力的均值（zhí）及上下誤差範（fàn）圍（wéi）進（jìn）行對比討論。
2．3切削參數對切削溫度及切削力的影響
圖9所示為切削速度及切削（xuē）溫度對（duì）切削力的影（yǐng）響，
圖9切削速度對切削溫度和切削力的影晌
與（yǔ）切削溫度及切削力的關（guān）係。隨著切向每齒進給量fzt從40μm增加到120μm，切削溫度雖有（yǒu）小的波動，但是基本穩定在（zài）(125±3)℃，無明顯變（biàn）化。而軸向力fz及徑向合力f都隨著切向每齒進給（gěi）量厶的（de）增加而增加，軸向力E變化範圍為128．3~214．9N，徑向合力fr變化範圍52．5～106．2N。
2．4加工孔出口質量
切削力及切削溫度直接影響加（jiā）工孔的質量，為探究切削溫度（dù）及切削力對加工孔顯微形貌的影響，分別選取最大切削溫度咒兩組參數及最大軸向力t兩組參數加工（gōng）孔出口形貌進行檢測。圖ll為不同加工參數（shù）下孔出口形貌，圖11(a)及圖11(b)加工（gōng）孔的出（chū）口較平整，無明顯缺陷（xiàn），兩組參數（shù）下的切削溫（wēn）度丁。分別為120．9cC及131．7℃，軸向力疋分別為164．8N及214．9N；而圖11(c)及圖11(d)出口（kǒu）的表麵形貌較差，有明（míng）顯的飛邊、毛（máo）刺現象，切削溫度r。分別為229．2cc及（jí）254．2℃，軸向力F：分別為150．8N及160．5N。對比可知，加工孔的出口質量對切削溫度比較敏感，而（ér）切削力對其影響較小，切削溫度越高，加工孔的出口質量越（yuè）差。
2．5刀具（jù）形（xíng）貌
圖10切向每齒進給量對切削溫（wēn）度和切削力的影響（xiǎng）
圖1 1 不同加工參（cān）數下孔出口形貌
圖（tú）12刀具形（xíng）貌
不同參數下切削後的刀具形（xíng）貌如圖12所示。圖12(a)為加工前刀具形貌圖，切削刃完好無破損。采（cǎi）用Vc=40μm，fzt=120μm加工後的刀具形貌如圖（tú）12(b)所示，此時的切削溫度為131．7℃，軸向力為214．9N。
刀刃最外側粘附有微量切（qiē）屑，切削刃沒有大（dà）的破損及（jí）堵塞現象，仍有很好的切削能力，孔出口處的材料很容易被切斷，出口質量較好。圖12(c)為加工參數（shù）為y，=55m／min，正。=80鬥m時刀具形貌圖，此（cǐ）時的切削溫度為254．2℃，可以看出整個（gè）刀刃粘附有大量切屑．此時刀具已失（shī）去切削（xuē）能力。
3.討論
從圖7和圖8所示的切削溫度和切削力可見，兩者都存在波動，且波動周期一致（zhì），與螺旋銑孔加（jiā）工中公轉（zhuǎn）周期相同。螺旋（xuán）銑孔加工中測溫點溫度變化取決於從切削點傳來（lái）的熱量，以及向外散出（chū）的熱量。刀具的螺（luó）旋公轉運動使（shǐ）得切削（xuē）點距離測溫點的位置周期性變化，使（shǐ）得切削溫度（dù）出現波動。這也（yě）證明螺旋銑孔（kǒng）相對於傳統鑽孔的優勢，螺旋銑孑L的偏心加工方式可以使工件在每個公（gōng）轉周期內散熱（rè），降低（dī）工（gōng）件溫（wēn）度，這在（zài）加工導熱性差的鈦合金（jīn）及導（dǎo）熱情（qíng）況複雜的複合材（cái）料時避（bì）免了熱損傷，具有很大的優勢。
由圖8可見，隨著螺旋銑削加（jiā）工的進行，徑向切削力Fx、Fy的峰值逐漸變大，這是因為所用銑刀側刃部分（fèn）高度為10mm，大於（yú）工件厚度，因此（cǐ）在整個螺旋銑孑L加工過程中，隨著刀具的（de）軸向進給，與孑L壁直接作用的側刃長度一直在增加，側刃與孔壁之間（jiān）的切削力（lì）和摩擦力逐漸增加。在此階段內，隻、F．大小及變化趨（qū）勢一致，存在0．56s的時間差，與公轉轉速對比（bǐ）可知，上（shàng）述時間內刀具相對孔（kǒng）中心（xīn）轉過90。角，即兩徑向力隻、F。之間存在90。的相位差。在切削過程中銑刀端刃的切削厚度和速度均保持相同，但可見軸向切削力由最大值逐漸降低，與文獻[21]中的切削力信（xìn）號一致。結合切削溫度檢測結果分析，隨著切削的（de）進行，切削區域溫度逐漸升高，這可能導致鈦合金材（cái）料軟化，使銑刀底端橫刃的（de）切削變得輕快，導致軸向切削力降低。
從（cóng）圖9可知（zhī），切削速度l，，對切削溫度丁。的影響較大（dà）而對切削力的影響（xiǎng）較小（xiǎo）。由文獻[4】知，當切削（xuē）速度y，增加時螺旋導程口。、軸向（xiàng）每齒進給量．正。、切向每齒進給量．丘（qiū）。不變，整個未變形切屑的形狀及尺寸都保（bǎo）持不變，但是單位時間內刀具與（yǔ）切屑及已加工表麵的摩擦次數增加，做功增（zēng）加，摩擦產熱大幅度（dù）增加，熱量來不及擴散，流人工件內的熱量增加，使得測量溫度丁。升高。同時（shí），增加切削（xuē）速（sù）度y。．時（shí），切削溫度n增加，材料軟化，切削阻（zǔ）力減小，切削（xuē）力減小。但是在幹（gàn）切削條件下，加工條件比較惡劣，當切削溫度增加到（dào）一定值時，切屑流動性變（biàn）差，造成（chéng）排屑槽堵塞，如圖12(c)所示（shì）刀（dāo）刃的切削能力降低，部分材料靠刀具擠壓去除，使（shǐ）得軸向力t及徑向合力f都增加。
從圖10(a)及圖lo(b)可知，切向每齒進給量fz1對於切（qiē）削力（lì）的（de）影響較大而（ér）對切（qiē）削（xuē）溫度幾（jǐ）乎沒有（yǒu）影響。這是因為切削速度y，不變時，單位時（shí）間內摩擦產熱基本不變。當切向每齒進給量．厶及軸向每齒進給量．正。增加，底刃及（jí）側刃的切削厚度增加，未變形切屑（xiè）變厚，切屑變形脫離工件所做的功（gōng）增加，導致總切削產熱增加；但另一方麵，由（yóu）L0ewen和MC Shaw於1954年提出切削溫度解析方法口（kǒu）21可知，當（dāng）切削厚（hòu）度增加時，切屑剪（jiǎn）切變形產熱流入切屑的比例月。增大，流人（rén）工件的比例1一月。減小，切削熱絕大部分由（yóu）切屑帶走，以上兩方麵（miàn）的（de）影（yǐng）響使得傳人工件的熱量基本（běn）不變，測量溫度基本不變。
由圖9(b)及圖10(b)可見，軸向力F大於徑向合力F，這（zhè）是因為在螺旋銑（xǐ）孑L過程中，同時存在底刃的連續鑽削及側刃的斷續銑削兩種加工形式，以銑削和（hé）鑽削方式去除材料的體（tǐ）積之比(R)可由式(2)計算。計算可知本試驗中銑削作用和鑽（zuàn）削作用的比（bǐ）例為4，9，鑽削比銑削的貢獻大，從而使軸向力E大於徑（jìng）向合力F。
切削溫（wēn）度對刀具狀態和（hé）鈦合金孑（jié）L出口質量有重要影（yǐng）響。溫度過高時使鈦合金（jīn）切屑軟化，容易滯留在排屑（xiè）槽中（zhōng），甚至粘附於前刀麵，導（dǎo）致切削刃的切削能力減弱，孔出（chū）口（kǒu）處的（de）一（yī）部分（fèn）材料（liào）靠刀具的擠壓去除，所以在出口處（chù）出現飛邊及毛刺現象。較高的切削溫度不僅降低加工孔的質量（liàng），同（tóng）時也影響刀具的使用壽命。
4.結論
開展了鈦合金螺旋銑孔試（shì）驗研究，分（fèn）析了加工參數對切削力、切削溫（wēn）度及製孑L質量的（de）影響，得出以下主要結論。
(1)在螺（luó）旋（xuán）銑孑L加工過程中，測量點的溫度由於傳熱與（yǔ）散熱相互影響而（ér）先上升後下降，局部溫（wēn）度曲線呈周期性波動，波動周期即為刀具公轉周期。
(2)螺旋銑孔加工中F。、E隨刀（dāo）具的公轉（zhuǎn）呈周（zhōu）期性波動，在每個周期內，隻、F。大小及變化趨勢一致，但存在900的相位差。
(3)切削速度增加時，切削溫度明顯上升，切削力基本保持不變；軸向每齒進（jìn）給量及（jí）切向每齒（chǐ）進給量增加，切（qiē）削溫度無明顯變化，切削力上升。切削溫（wēn）度是影響鈦合金加工孔表麵質量的主要因素。切削溫度高，切屑流動性變差，容易粘附在排屑槽中堵塞刀具，降低刀具（jù）的切削能力，導致在工件（jiàn）表麵出口處有大量毛刺存在，降（jiàng）低（dī）加工（gōng）孔的質量（liàng）。
(4)在需（xū）同時保證加工效率及加工質（zhì）量的（de）前（qián）提下，應盡量選擇大的切向每齒進給量、大的軸（zhóu）向每齒進給量和較（jiào）低的切削速度。
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