面向航空裝配的TB6鈦合金高質(zhì)量制孔技術(shù)：低頻振動輔助鉆削工藝優(yōu)化，通過周期性刀-屑分離實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定排屑與降溫減摩，顯著提升孔徑一致性圓度與圓柱度，為高強(qiáng)鈦合金高效制孔提供依據(jù)

1、序言

TB6鈦合金具備高強(qiáng)度、低密度和強(qiáng)耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼和起落架結(jié)構(gòu)中用該材料可替代等強(qiáng)度的20CrMnSiA和TC4材料，結(jié)構(gòu)質(zhì)量可分別降低40%和20%，目前已廣泛應(yīng)用于直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的承載結(jié)構(gòu)中，在航空航天領(lǐng)域占據(jù)重要地位[1,2]。由于螺栓聯(lián)接和鉚接是飛機(jī)裝配中最常用的部件連接方式，因此裝配孔的制備成為飛機(jī)裝配的重要任務(wù)之一3。TB6因具備高韌性、低熱導(dǎo)率和強(qiáng)化學(xué)親和性等特點(diǎn)，在傳統(tǒng)鉆削加工中易出現(xiàn)斷屑困難、切削溫度高以及工件材料在刀具表面粘附嚴(yán)重等問題，導(dǎo)致孔加工精度不達(dá)標(biāo)  [4, 5]，故TB6孔的加工質(zhì)量提升成為亟待解決的難題。

為提高鈦合金制孔質(zhì)量,學(xué)者們已提出多種解決方式并取得了一定成效，如激光和電化學(xué)孔加工超聲振動輔助鉆削8、螺旋銑9和低頻振動輔助鉆削等技術(shù)。其中低頻振動輔助鉆削作為一種行之有效的加工策略，可以在保證孔加工質(zhì)量的同時提高加工效率，成為制孔領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

低頻振動輔助鉆削技術(shù)在運(yùn)動學(xué)上實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制性斷屑，降低鉆削溫度，避免鋒利的連續(xù)型切屑對孔壁的刮擦，利于提高孔加工質(zhì)量  [11]。HUSSEIN等  [12]對CFRP/TC4疊層材料進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加低頻振動后，鉆削加工的扭矩和軸向力與傳統(tǒng)鉆削相比分別降低了25%和45%，且添加低頻振動后刀具表面的材料粘附現(xiàn)象明顯降低，與傳統(tǒng)鉆削相比，后刀面的磨損帶寬度減少了75%，歸因于良好的斷屑和散熱效果。PECAT等  [13,14]對低頻振動輔助鉆削技術(shù)的散熱效果進(jìn)行了著重論述與分析，通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，添加低頻振動后鈦合金的鉆削溫度由173℃降至98℃，下降了43%。李文杰  [15]采用槍鉆對TC4進(jìn)行鉆削加工，對比發(fā)現(xiàn)低頻振動輔助鉆削加工展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為在相等加工效率下，添加低頻振動后孔的圓度誤差約降低了50%，且刀具未出現(xiàn)傳統(tǒng)鉆削加工工況下的鉆頭折斷現(xiàn)象。王福吉等[16]分別采用麻花鉆和階梯鉆對CFRP TC4進(jìn)行低頻振動鉆削加工，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆削加工時無論是在CFRP層還是在TC4層，孔徑尺寸精度均高于低頻振動輔助鉆削加工，歸因于低頻振動輔助鉆削技術(shù)具備良好的斷屑和散熱效果。楊浩駿[17]也對CFRP/TC4疊層材料進(jìn)行了鉆削加工試驗(yàn)，添加低頻振動后，TC4層的圓柱度得到了明顯提升，而孔徑尺寸大小則與傳統(tǒng)鉆削獲得的尺寸類似。上述學(xué)者已通過試驗(yàn)表明:添加低頻振動后斷屑效果會得到有效提升，利于降低鉆削加工溫度、減輕刀具表面的工件材料粘附，是一種行之有效的孔加工方式。孔的形狀精度決定實(shí)際裝配的質(zhì)量，目前對其系統(tǒng)地研究仍十分有限。

表1 TB6鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

涂層鉆頭進(jìn)行鉆削加工  [19]，刀具直徑為10mm。

為解決TB6鈦合金材料在傳統(tǒng)鉆削加工中存在的孔加工質(zhì)量差、刀具使用壽命短等問題，利用低頻振動輔助鉆削技術(shù)在降低切削力、提高刀具使用壽命和孔加工質(zhì)量方面的優(yōu)勢，對比開展低頻振動輔助鉆削和傳統(tǒng)鉆削TB6的試驗(yàn)，分析隨制孔數(shù)量不斷增加對刀具磨損狀況、鉆削軸向力、扭矩、表面粗糙度、孔徑和形狀精度的影響規(guī)律，為TB6的高質(zhì)高效鉆削提供理論參考。

2、試驗(yàn)平臺搭建與鉆頭運(yùn)動軌跡分析

2.1試驗(yàn)平臺搭建

鈦合金TB6的化學(xué)成分  [18]和力學(xué)性能分別見表1和表2，因其V含量較多為10.5%，故表現(xiàn)出較高的材料化學(xué)活性，易與刀具發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因材料具備較高的硬度和強(qiáng)度，故選用高切削性能的AlTiN

表2 TB6鈦合金的力學(xué)性能

試驗(yàn)工裝及刀具如圖1所示，采用三軸數(shù)控加工中心DMG MORI CMX 1100Vc開展鉆削試驗(yàn)，最大轉(zhuǎn)速為20000r/min，加工過程采用切削液內(nèi)冷方式，壓力設(shè)置為20bar(1bar=0.1MPa)。低頻振動發(fā)生器采用Mitis公司生產(chǎn)的PG8040系列振幅可調(diào)式振動刀柄，頻轉(zhuǎn)比為1.5osc/rev，振幅在0.0050.250mm離線可調(diào)。參考刀具廠商提供的切削參數(shù)進(jìn)行刀具磨損試驗(yàn)，具體見表3。以目前航空工業(yè)要求的孔壁表面粗糙度值Ra≤1.6μm作為刀具壽命的評判標(biāo)準(zhǔn)，選用表面粗糙度儀(型號:馬爾PS10)對孔的出入口分別進(jìn)行3次測試并取平均值作為最終結(jié)果。選用三坐標(biāo)測量機(jī)(型號:DuraMax 5/5/5 VASTXXT)對孔的形狀精度進(jìn)行表征測試，為保證測試的準(zhǔn)確性，對孔的入口側(cè)、中部和出口側(cè)均進(jìn)行3次重復(fù)測量并取平均值。

表3加工參數(shù)

2.2刀具運(yùn)動軌跡分析

低頻振動輔助鉆削是一項(xiàng)在傳統(tǒng)鉆削加工的基礎(chǔ)上,軸向添加正弦振動以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫斷屑,避免切屑纏繞,利于提高孔加工質(zhì)量的技術(shù)。添加低頻振動后,鉆頭的運(yùn)動軌跡與傳統(tǒng)鉆削加工迥異,兩種鉆削技術(shù)下主切削刃的運(yùn)動軌跡如圖 2所示。主要表現(xiàn)在，傳統(tǒng)鉆削加工只包含切削速度和進(jìn)給量兩個加工參數(shù),而低頻振動輔助鉆削技術(shù)除上述兩個加工參數(shù)外,還包含振幅和頻轉(zhuǎn)比兩個振動參數(shù)。低頻振動輔助鉆削技術(shù)中,刀具的兩主切削刃運(yùn)動軌跡為

式中, Z(t)是切削刃的實(shí)際軸向位移(mm),  Z_f 是由進(jìn)給運(yùn)動產(chǎn)生的軸向位移(mm),  Z_v是附加的軸向正弦振動運(yùn)動產(chǎn)生的軸向位移(mm),f是進(jìn)給量(mm/ r), A是振動振幅(mm),  ω_f 是低頻振動刀柄的頻轉(zhuǎn)比(osc/rev), n是主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

在鉆削加工過程中,鉆頭的副切削刃對孔壁起到良好的修光作用,利于改善孔壁的微觀不平度,從而提升孔加工質(zhì)量。當(dāng)采用低頻振動輔助鉆削技術(shù)時,鉆頭副切削刃的運(yùn)動狀態(tài)如圖 3所示,可以發(fā)現(xiàn)添加低頻振動后,副切削刃會對已加工的孔壁進(jìn)行持續(xù)重復(fù)修正,在傳統(tǒng)鉆削的基礎(chǔ)上添加軸向正弦振動,增大了副切削刃對孔壁的修正距離,其中傳統(tǒng)鉆削加工的修正距離為實(shí)際鉆削進(jìn)給量,添加低頻振動后的修正距離除進(jìn)給量外,還包含振動在軸向上所能達(dá)到的距離,利于進(jìn)一步提升孔加工質(zhì)量。

3、鉆削結(jié)果對比分析

3.1鉆削力分析

(1)軸向力軸向力和扭矩信號直接反映鉆削加工過程中刀具與被加工材料之間的相互作用及排屑效果，與孔加工質(zhì)量密切相關(guān)。不同鉆削方式下加工第18個孔時的軸向力曲線如圖4所示，可以明顯看出，添加低頻振動后軸向力的波動范圍更大，在穩(wěn)定鉆削階段內(nèi)軸向力的最大值和最小值分別為1991N和14.2N。而在傳統(tǒng)鉆削條件下，穩(wěn)定階段的鉆削軸向力為1282N，未出現(xiàn)明顯波動。這是由于低頻振動輔助鉆削條件下刀具多數(shù)處于空切狀態(tài)，而傳統(tǒng)鉆削工藝中切削刃一直處于切削狀態(tài)。

不同鉆削方式下孔加工的軸向力均值隨制孔個數(shù)的變化情況如圖5所示。由圖5可知，在兩種鉆削加工方式下，軸向力隨制孔個數(shù)變化基本保持不變，這是由于鉆削TB6鈦合金過程中，刀具表面會存在工件材料粘附而主切削刃并未出現(xiàn)明顯磨鈍的現(xiàn)象，與BEAL等[20]的研究結(jié)論一致。對比兩種鉆削加工技術(shù)可以明顯發(fā)現(xiàn)，添加低頻振動后的鉆削軸向力均值得到明顯降低，其中傳統(tǒng)鉆削條件下的軸向力均值為1278N，添加低頻振動后鉆削軸向力均值為1034N，降低了約19.1%。因低頻振動輔助鉆削的振動特性，故鉆頭與被加工材料之間存在周期性的接觸和分離，分離階段時鉆頭處于空載狀態(tài)，且在該階段切削加工的冷卻和潤滑效果得到增強(qiáng)，從而利于降低鉆削的平均軸向力。

(2)扭矩當(dāng)排屑過程中發(fā)生堵屑時，切屑與已加工孔壁出現(xiàn)嚴(yán)重刮擦，易導(dǎo)致鉆削扭矩增大，通過扭矩變化曲線可有效表征實(shí)際排屑狀況[17]。圖6為不同鉆削方式下加工第18個孔時的扭矩曲線。由圖6a可知，傳統(tǒng)鉆削加工條件下，扭矩信號存在較大波動，且在約150s處出現(xiàn)明顯的堵屑現(xiàn)象;圖6b標(biāo)注的幾處位置雖然存在扭矩值突變現(xiàn)象，但持續(xù)時間短暫，即使添加低頻振動，在排屑過程中也會偶爾存在排屑不暢現(xiàn)象。對比兩圖發(fā)現(xiàn)，圖6b的扭矩信號整體相對平緩，展現(xiàn)出低頻振動輔助鉆削技術(shù)在排屑方面的優(yōu)勢。

圖7展示了不同加工方式以及加工18個孔前后的扭矩均值變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，與低頻振動輔助鉆削技術(shù)相比，傳統(tǒng)鉆削條件下的扭矩均值隨制孔個數(shù)增加存在明顯的波動，不同孔加工過程中刀具的受力和排屑狀態(tài)存在明顯差異，孔加工質(zhì)量穩(wěn)定性較差。具體而言，傳統(tǒng)鉆削條件下扭矩均值處于2.4~3.0N·m，波動幅度20%，而添加低頻振動后，隨著制孔個數(shù)增加，扭矩均值明顯穩(wěn)定，波動幅度12.2%。此外，添加低頻振動后，鉆削扭矩均值約降低22.2%，歸因于在鉆削加工周期中存在空載階段且產(chǎn)生碎化的扇形切屑易于排屑，周期性抬刀利于提升冷卻、潤滑和排屑效果，扭矩均值得到顯著降低。

3.2刀具磨損分析

刀具磨損是切削加工中不可避免的現(xiàn)象，反映了切削加工過程中刀具與工件接觸面的摩擦學(xué)特性，是評價刀具壽命和切削性能的重要指標(biāo)[21]。對TB6鈦合金進(jìn)行傳統(tǒng)鉆削和低頻振動輔助鉆削加工第4和第18個孔后鉆頭的磨損形貌見表4。在傳統(tǒng)鉆削條件下，制孔個數(shù)由4個增加至18個，鉆頭橫刃和刃帶的材料粘附現(xiàn)象以及后刀面氧化現(xiàn)象愈加明顯，鉆削加工18個孔后，刀具的橫刃、后刀面、前刀面和刃帶均存在大量的材料粘附，歸因于TB6較高的化學(xué)活性，易與刀具材料發(fā)生反應(yīng)，且由高溫加工而導(dǎo)致的刀具表面氧化現(xiàn)象明顯存在于刀具后刀面。

YANG等[22]也表明鈦合金的熱導(dǎo)率低，導(dǎo)致鉆削加工過程中出現(xiàn)明顯的局部高溫，且鈦合金的彈性模量較低，導(dǎo)致刀具后刀面易與已加工材料表面發(fā)生擠壓摩擦，鉆頭后刀面氧化磨損明顯[23]。而添加低頻振動后，在鉆削第4和第18個孔后，鉆頭的磨損狀態(tài)基本保持一致。與傳統(tǒng)鉆削相比，加工18個孔后鉆頭表面的粘附現(xiàn)象明顯降低，且刀具后刀面并未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化磨損，這歸因于添加低頻振動后切屑碎化，利于攜帶大量切削熱的切屑沿排屑槽排出，有效避免了切削熱大量積累。

3.3表面粗糙度分析

對TB6鈦合金分別進(jìn)行傳統(tǒng)鉆削和低頻振動輔助鉆削，所獲得18個孔的表面粗糙度值Ra的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。傳統(tǒng)鉆削和低頻振動輔助鉆削條件下，孔的表面粗糙度值Ra分別處于1.35~1.69μm和1.00~1.27μm，添加低頻振動后孔的表面質(zhì)量得到明顯改善，這歸因于材料的去除方式由連續(xù)去除轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛匀コぞ鼐到档颓遗ぞ匦盘栚呌诜€(wěn)定，表明斷/排屑效果得到明顯改善，從而降低熾熱連續(xù)型切屑對孔壁的刮擦。此外，傳統(tǒng)鉆削條件下粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重，易刮擦和擠壓孔壁，導(dǎo)致表面相對粗糙。當(dāng)傳統(tǒng)鉆削至第17個孔時，孔壁表面粗糙度值Ra達(dá)到1.69μm，已不能滿足Ra≤1.6μm的工程要求。

3.4孔尺寸和形狀精度分析

(1)直徑孔徑是表征孔尺寸精度的重要指標(biāo)，直接影響實(shí)際部件的裝配效果，不同制孔方式下孔徑隨制孔數(shù)量的變化情況如圖9所示。由圖9可見，添加低頻振動后獲得的孔徑均大于傳統(tǒng)鉆削加工，其中低頻振動輔助鉆削工藝下獲得孔直徑處于10.002~10.005mm，傳統(tǒng)鉆削加工條件下獲得的孔徑則處于9.991~9.996mm。CHEN等[24]研究表明，在傳統(tǒng)鉆削條件下，孔加工的表面特征主要是由于切削刃的耕犁作用而產(chǎn)生的進(jìn)給痕跡，添加低頻振動后，鉆頭每進(jìn)行一次材料去除均會進(jìn)行刀具回退，并伴有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，對因進(jìn)給而在孔壁遺留的材料進(jìn)一步去除，故孔徑整體偏高。此外，可以發(fā)現(xiàn)在添加低頻振動后，軸向力和扭矩值均出現(xiàn)明顯降低，利于提升鉆削加工的穩(wěn)定性，孔徑偏差集中在更小范圍內(nèi)，一致性得到提升。在兩種加工方式下，隨制孔個數(shù)逐漸增加至18個，孔徑未出現(xiàn)明顯降低趨勢，這是由于刀具外緣轉(zhuǎn)角位置未出現(xiàn)明顯磨損現(xiàn)象。

(2)圓度圓度是衡量孔加工質(zhì)量的一項(xiàng)重要依據(jù)，在傳統(tǒng)鉆削和低頻振動輔助鉆削條件下，孔的圓度隨制孔數(shù)量的變化情況如圖10所示。其中，傳統(tǒng)鉆削加工獲得的孔圓度波動較大，處于0.007~0.014mm，而添加低頻振動后，孔圓度表現(xiàn)更為聚集且均低于傳統(tǒng)鉆削加工，處于0.002~0.005mm，這是由于添加低頻振動后，刀具在軸向周期性運(yùn)動的同時隨主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，能夠去除孔表面的紋理及凸起，從而提升圓度水平。且傳統(tǒng)鉆削加工后，刀具的橫刃部分存在大量工件材料粘附，易導(dǎo)致鉆尖定心不穩(wěn)，加之排屑過程中出現(xiàn)堵屑現(xiàn)象[25]，此外，鉆削力較高容易引發(fā)刀具振動和變形，均會造成更大的圓度偏差[26]。

(3)圓柱度圓柱度是反映孔加工精度的另一個重要指標(biāo)，其隨制孔個數(shù)的變化規(guī)律如圖11所示。由圖11可知，與低頻振動輔助鉆削加工相比，傳統(tǒng)鉆削加工獲得孔的圓柱度偏差明顯更高，這是由于在TB6傳統(tǒng)鉆削加工的過程中，軸向力高于低頻振動輔助鉆削加工，且如3.1和3.2節(jié)所述，傳統(tǒng)鉆削加工條件下會出現(xiàn)嚴(yán)重的堵屑狀況，切屑與孔壁之間產(chǎn)生劇烈摩擦，均不利于鉆削加工穩(wěn)定性的提升，從而導(dǎo)致較低的孔形狀精度，這與AMINI等[27]的研究結(jié)果一致，鉆削過程中添加振動會大幅提升孔加工的穩(wěn)定性和加工精度。通過添加低頻振動對TB6連續(xù)鉆削18個孔，發(fā)現(xiàn)孔的圓柱度得到明顯改善，均處于0.004~0.008mm。此外，低頻振動輔助鉆削時，刀具在軸向周期性回退的同時對孔形狀也在一定程度上進(jìn)行修正，利于改善圓柱度。

4、結(jié)束語

本文針對TB6鈦合金進(jìn)行了傳統(tǒng)鉆削和低頻振動輔助鉆削加工，對比了兩種鉆削方式下刀具的磨損形式，系統(tǒng)分析了孔的軸向力、扭矩、孔壁表面粗糙度和孔形狀精度隨制孔數(shù)量的變化趨勢，具體結(jié)論如下。

1)采用低頻振動輔助鉆削方式制孔，軸向力和扭矩均在一定程度上出現(xiàn)降低，鉆削至第18個孔時分別降低了19.1%和22.2%。扭矩曲線平穩(wěn)，排屑狀態(tài)良好。

2)針對TB6鈦合金兩種鉆削加工方式表現(xiàn)出的刀具磨損形式存在差異。傳統(tǒng)鉆削加工條件下，刀具首先表現(xiàn)出粘著磨損，隨著制孔數(shù)量增加，材料粘附愈加嚴(yán)重，且在后刀面表現(xiàn)出氧化磨損。而在低頻振動鉆削加工條件下，刀具出現(xiàn)輕微材料粘著磨損且隨制孔數(shù)量增加，刀具的磨損狀況基本保持不變。

3)低頻振動輔助鉆削技術(shù)具備良好的斷屑和散熱的優(yōu)勢，極大地避免了切屑和刀具表面的材料粘附對孔壁的刮擦現(xiàn)象，從而有效提高了孔壁表面質(zhì)量，表面粗糙度值Ra處于1.00~1.27μm。

4)與傳統(tǒng)鉆削相比，添加低頻振動后所獲得孔的直徑尺寸更集中,均處于10.002~10.005mm,孔的圓度和圓柱度分別處于0.002~0.005mm和0.004~0.008mm，孔的形狀精度更優(yōu)。

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（注，原文標(biāo)題：TB6鈦合金不同鉆削方式刀具磨損及孔加工質(zhì)量對比）