鈦合金深孔刀具耐用度及參數(shù)優(yōu)化

1、機(jī)床與液壓20061No1773鈦合金深孔刀具耐用度及參數(shù)優(yōu)化吳曉丹,何瓊?cè)?楊公明23(11廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電系,廣州510665;21西北工業(yè)大學(xué),西安710072;31華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣州510642)摘要:深孔鉆削鈦合金難度大,刀具極易損壞。本文在原來(lái)自行設(shè)計(jì)和制造的內(nèi)排屑鉆孔(BTA)深孔鉆頭基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)鈦合金材料的深孔加工試驗(yàn),對(duì)改進(jìn)后的深孔鉆頭的失效機(jī)理進(jìn)行了分析研究,并探討了鈦合金深孔加工時(shí)進(jìn)給量、刀具轉(zhuǎn)速與耐用度的關(guān)系,優(yōu)化了工藝參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)、最終達(dá)到提高刀具耐用度的目的。關(guān)鍵詞:深孔鉆頭;鈦合金;刀具耐用度;參數(shù)優(yōu)化中圖分類號(hào):TG713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):

2、1001-3881(2006)7-073-4ResearchonToolLifeofDeepholeDrillandParametersOptimizationinProcessingTitaniumAlloyWUXiaodan,HEQiongru,YANGming(11DepartmentofMechanicalandElectronicUniversity,Guangzhou510665,China;21NorthChina;31CollegeofFoodScienceGuangzhou510642,China)Abstract:Thedeepoybecausethetoolsaresus

3、ceptibletodamage1Basedontheinnerremovingchip(-invalidationmechanismofBTAdeep-holedrillswasanalyzedandinvestigatedthroughtheexperimmachiningoftitaniumalloy1Theeffectoffeedandrotatespeedontoollifewasdiscussed1Thetechnologicalparametersandthestructuresoftoolwereoptimized,andtheaimofincreasingtoollifeco

4、uldbeachieved1Keywords:Deep-holedrill;Titaniumalloy;Toollife;Parametersoptimization23鈦合金深孔加工非常困難。一方面,鉆頭全部刀刃同時(shí)參與切削工作,中心處切削速度為零,與工件、切屑產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)D壓;鉆桿細(xì)長(zhǎng),剛性差,產(chǎn)生震動(dòng),易導(dǎo)致打刀、崩刀;排屑空間小,斷屑難、深孔散熱條件差等。另一方面,鈦合金切削時(shí)的變形系數(shù)小于1,即在切削過(guò)程中,切屑不但未收縮,反而變長(zhǎng),在前刀面上流動(dòng)的路徑大大增加,產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦;鈦合金導(dǎo)熱性很差,同時(shí)切屑與前刀面的接觸面積又小,切削溫度高,單位壓力高,鈦合金對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性又強(qiáng),因此

5、粘刀磨損嚴(yán)重;而彈性模數(shù)E小,切削表面的彈性恢復(fù)等特性也增加了刀具1-3的磨擦。這些不利因素的合成,導(dǎo)致鈦合金深孔加工時(shí)鉆頭極易磨損,耐用度很低。在深孔加工方式上,內(nèi)排屑深孔鉆(BTA)系統(tǒng)的鉆桿截面扭轉(zhuǎn)剛性較好,內(nèi)通高壓切削油起作限制鉆桿振動(dòng)的作用。加工表面質(zhì)量好。為此,本文在原來(lái)自行設(shè)計(jì)和制造的4,5內(nèi)排屑鉆孔(BTA)深孔鉆頭基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)鈦合金材料的深孔加工試驗(yàn),定義了以鉆頭刀刃或?qū)驐l失效作為刀具耐用度的評(píng)判尺度。利用掃描電鏡觀察了刀刃和導(dǎo)向條試樣表面的磨損、破損形貌,對(duì)改進(jìn)后的BTA深孔鉆頭的失效機(jī)理進(jìn)行了分析研究。探討了鈦合金深孔加工時(shí)進(jìn)給量、刀具轉(zhuǎn)速與耐用度的關(guān)系,并對(duì)鉆削參數(shù)

6、及刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。1實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備鉆頭以矩形內(nèi)螺紋與機(jī)床鉆桿連接,對(duì)尺寸為+011<150mm×760mm的TA2鈦錠鉆通孔,孔徑<65mm。刀具進(jìn)給由液壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)進(jìn)給,工件旋轉(zhuǎn)。鉆桿細(xì)長(zhǎng),容易變形,在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝活動(dòng)中心支承,可對(duì)鉆桿的任意位置進(jìn)行支承。利用掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡等圖像攝取儀器觀察刀刃和導(dǎo)向條,以特定的失效特征和形式作為條件,以內(nèi)排屑深孔鉆頭最大鉆深量為耐用度實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。深孔鉆床為西德B5SB;切削液為20號(hào)機(jī)械油及添加劑;掃描電鏡為X-650型;光學(xué)顯微鏡;自行設(shè)計(jì)BTA深孔鉆頭:三刃錯(cuò)齒結(jié)構(gòu),40Cr刀體,YG8硬質(zhì)合金機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片及導(dǎo)向條,

7、螺釘壓孔式壓緊。主偏角Kr=75°,前角=0,主后角0=12°,各刃副后角=6°12°。導(dǎo)向塊1的位置角1=175°,導(dǎo)向塊2的位置角。2=275°2結(jié)果與討論211刀具耐用度與切削參數(shù)的影響21111刀具耐用度定義在鈦合金深孔鉆削試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),深孔鉆頭的失效形式與常規(guī)的刀刃正常磨損大不相同,刀具耐用度的定義不能僅以常規(guī)的前后刀面磨損為判據(jù)來(lái)繪制刀具耐用度與切削用量之間的關(guān)系曲線。由于鉆頭失效形式與一般刀具不同,本試驗(yàn)將檢驗(yàn)判據(jù)規(guī)定為在切削完一個(gè)鈦錠之后,觀察該刀具是否可繼續(xù)使用,當(dāng)?shù)?#169; 1994-2007 China Aca

8、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 74刃或?qū)驐l發(fā)生嚴(yán)重磨損或崩缺時(shí),便中止該組刀刃或?qū)驐l的使用,此時(shí)的鉆孔深度便作為刀具耐用度的評(píng)判尺度。21112進(jìn)給量的影響進(jìn)給量是與鉆孔速度、精度和刀具耐用度有關(guān)的重要指標(biāo),選擇合理的進(jìn)給量可提高刀具耐用度。圖1為進(jìn)給量與耐用度關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn),在各種切削速度下,刀具耐用度隨著進(jìn)給量的增加而增加,但增加到一定的程度后便顯下降狀態(tài)。若進(jìn)給量過(guò)小,摩擦增大,排屑量小,帶走熱量小,導(dǎo)致耐用度降低;而進(jìn)給量過(guò)大,導(dǎo)致刀具所受切削力增加,排屑量增加,不僅相應(yīng)增加了刀具

9、的磨損,也容易產(chǎn)生嚴(yán)重崩刃的現(xiàn)象?？梢?jiàn)深孔鈦合金加工應(yīng)該對(duì)進(jìn)給量進(jìn)行優(yōu)化。在本研究參數(shù)下,進(jìn)給量0109左右為最佳進(jìn)給量。機(jī)床與液壓20061No17在一般黑色金屬的切削加工中,刀片的磨損是主要失效形式。而在正常、穩(wěn)定的鉆削條件下,崩刃是鈦合金深孔加工中刀刃失效的一種主要形式。3個(gè)刀刃都有崩刃且刀刃小裂紋較多。主要原因有:首先,鉆頭的引入切出過(guò)程中出現(xiàn)切屑堵塞、或切削中碰到硬質(zhì)點(diǎn)和導(dǎo)套間隙過(guò)大等,都造成切削力突然上升,產(chǎn)生劇烈振動(dòng),如圖3(b)、(f)。其次,切削堵屑時(shí),切屑與刀片牢固粘結(jié),停機(jī)清理鉆頭時(shí)人為揭拔而使刀片崩刃,如圖3(c)。另外,由于沖擊造成外刀刃前刀面上發(fā)生硬質(zhì)合金層的剝離,

10、如圖3(e)。圖3刀具的主要失效形式21212導(dǎo)向條失效21113鉆頭轉(zhuǎn)速影響轉(zhuǎn)速影響切削速度、排屑速度及熱量的產(chǎn)生和排出,也存在一個(gè)優(yōu)化選擇問(wèn)題。從圖2可見(jiàn),若切削速度過(guò)低,則鉆屑帶走的熱量小,散熱差,導(dǎo)致深孔內(nèi)鉆頭發(fā)熱,降低耐用度;若切削速度過(guò)高,導(dǎo)致摩擦及發(fā)熱增加,甚至鉆屑滯留,高溫高壓導(dǎo)致鈦合金與刀具的粘結(jié)、撕裂的頻率增加,刀具磨損增加。故其對(duì)耐用度的影響呈拋物線形狀,有一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速。本研究確定的最佳刀具耐用度為716m。相應(yīng)的切削速度為450r/min,進(jìn)給量為45mm/min。212刀具的主要失效形式研究并確定深孔鉆削中刀具的主要失效形式和失效機(jī)理,可在刀具、設(shè)備及加工工藝上采取有

11、針對(duì)性措施,以提高刀具耐用度。21211切削刀刃的磨損與崩刃磨損是刀具刀刃正常的失效形式。磨損主要發(fā)生在外刀刃,而中刀刃和內(nèi)刀刃的磨損很少。外刀刃的前后刀面上均有積炭發(fā)黑現(xiàn)象,呈現(xiàn)一窄條黑帶。如圖3(a)、(d)。磨損方式中,機(jī)械磨損是主要方式。因?yàn)殁伜辖鹪诟邷囟认挛战橘|(zhì)中的O、N、C等,形成TiO2、TiN、TiC等硬質(zhì)點(diǎn),加速了刀刃的磨損。當(dāng)v=450560r/min時(shí),出現(xiàn)積屑瘤,將產(chǎn)生粘結(jié)磨損。實(shí)驗(yàn)表明,同一把鉆頭上的導(dǎo)向條失效比刀刃失效要早得多。即是說(shuō)導(dǎo)向條的耐用度比刀刃的耐用度要小得多,導(dǎo)向條的過(guò)早失效將導(dǎo)致鉆頭達(dá)不到刀刃所具有的耐用度。所以導(dǎo)向條的失效是造成鉆頭耐用度低的主要因

12、素。(1)導(dǎo)向條磨損粘結(jié)麻坑。如圖4(a)(v=91189m/min,f=011mm/r),導(dǎo)向條表面材料被粘附物帶走或表層脫落,刀具表面出現(xiàn)麻坑;圖4(b)(v=91189m/min,f=0108mm/r)上可見(jiàn)粘著物。產(chǎn)生粘結(jié)的原因是:材料分子間的吸附:導(dǎo)向條和工件孔壁相互接觸,并作相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng),兩接觸表面上的微凸體達(dá)到57A°的分子距離,表面微觀不平接觸點(diǎn)彼此粘連。若導(dǎo)向條為強(qiáng)度弱方,使其從基體上撕開(kāi),產(chǎn)生麻點(diǎn)凹坑。導(dǎo)向條的結(jié)構(gòu)不合理時(shí),鈦合金的回彈作用使工件與導(dǎo)向條接觸處局部產(chǎn)生高壓高熱,支承載荷的導(dǎo)向條材料發(fā)生塑性流動(dòng),潤(rùn)滑油吸附膜破壞,導(dǎo)致兩者局部粘結(jié)、焊合,并產(chǎn)生撕裂。

13、導(dǎo)向條材料組織缺陷。由于內(nèi)部存在裂紋、孔隙等缺陷,造成導(dǎo)向條微區(qū)強(qiáng)度低,撕裂發(fā)生在弱的地方。摩擦中材料的疲勞、硬化變脆以及冷卻液進(jìn)入疲勞裂紋,又經(jīng)高壓,使部分表層破裂。如圖4(c)(v=91189m/min,f=01088mm/r)。在多晶材料的邊界上,晶格是扭曲的,同時(shí)晶介也存在雜質(zhì),在高溫下,晶粒邊界變© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 機(jī)床與液壓20061No1775織上的缺陷在機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力交替作用下出現(xiàn)裂紋,并形成不規(guī)則裂紋或網(wǎng)狀裂紋。如圖

14、6(c)(v=114135m/min,f=010893mm/r)。導(dǎo)向條焊接裂紋。從掃描電鏡中發(fā)現(xiàn),有許多崩塊處出現(xiàn)臺(tái)階式的脆性斷裂,與焊接質(zhì)量有很大關(guān)系。導(dǎo)向條崩塊時(shí),由于斷裂應(yīng)力和碎塊脫落后的擠壓作用,在原崩落處產(chǎn)生二次裂紋。如圖6(d)(v=114135m/min,f=010893mm/r)。形抗力小,導(dǎo)向條可沿晶界撕裂,產(chǎn)生塊剝落,如圖4(d)(v=72149m/min,f=01098mm/r)所示。圖4擴(kuò)散。如圖5(a)(v=91189m/min,f=01077mm/r)所示。兩種材料在高溫高壓下相互接觸,材料的成份存在濃度梯度,導(dǎo)致相互擴(kuò)散的現(xiàn)象。刀刃中的碳擴(kuò)散到鈦合金中形成TiC

15、,刀刃因失去碳而性能下降,加速了磨損。圖6導(dǎo)向條的裂紋與崩裂圖5導(dǎo)向條裂紋與粘結(jié)(2)導(dǎo)向條破損導(dǎo)向條的破損形式主要為裂紋和崩塊。加工時(shí)間一長(zhǎng),導(dǎo)向條往往發(fā)生崩塊現(xiàn)象。原因是:鈦合金加工后回彈大,對(duì)導(dǎo)向條產(chǎn)生很大抱緊力,導(dǎo)致摩擦矩加大,疲勞裂紋擴(kuò)展,導(dǎo)致崩塊。如圖5(b)(v=91189m/min,f=01077mm/r)。硬質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)致碎裂。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),切削中刀刃碰著硬質(zhì)點(diǎn)時(shí),產(chǎn)生劇烈振動(dòng),導(dǎo)向條崩裂,產(chǎn)生較大的崩塊,如圖6(a)(v=91189m/min,f=01088mm/r)。試驗(yàn)表明,當(dāng)切削速度上升至114135m/min時(shí),切削溫度急速上升,強(qiáng)裂的摩擦作用產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋,如圖6(b)(

16、v=114135m/min,f=010893mm/r)。刀具材料組213導(dǎo)向條結(jié)構(gòu)及位置分布與失效的關(guān)系圖7為導(dǎo)向條錐度對(duì)刀具耐用度的影響。實(shí)驗(yàn)表明,鉆頭導(dǎo)向條為正錐(頭部小,尾部大)結(jié)構(gòu)時(shí),由于鈦合金回彈作用,使導(dǎo)向條后部與鈦合金接觸應(yīng)力急劇增加,加圖7導(dǎo)向條錐度對(duì)刀大了導(dǎo)向條的磨損,因此具耐用度的影響刀具耐用度很低;當(dāng)使用倒錐導(dǎo)向條結(jié)構(gòu)時(shí),有刀具與工件的磨擦減少,刀具耐用度增加,孔的表面粗糙較好。另外,采用當(dāng)導(dǎo)向條直徑小于加工孔徑的結(jié)構(gòu),刀具耐用度和表面粗糙也都有明顯提高。若兩個(gè)因素同時(shí)考慮,可獲得較高的刀具耐用度。當(dāng)?shù)瑰F為-0106,導(dǎo)向條最大直徑比孔的直徑小0115mm時(shí),可獲得最高刀

17、具耐用度。圖8為導(dǎo)向條所占位置對(duì)刀具耐用度的影響?？偟膩?lái)說(shuō),因?yàn)橹С袕较蚯邢髁Φ年P(guān)系,與刀刃前刀面成175°方向的導(dǎo)向條,都比275°方向的導(dǎo)向條磨損嚴(yán)重。因此,175°方向?qū)驐l的失效快慢就是影響刀具耐用度的關(guān)鍵。圖8也表示了進(jìn)給量與導(dǎo)向條的磨、破損程度的關(guān)系。圖8(a)為f=01078mm/r,M=1412kg/m時(shí)© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 76機(jī)床與液壓20061No17藝系統(tǒng)分析J1機(jī)械工程師,2000(

18、6):27-281【5】吳曉丹,何瓊?cè)?等1內(nèi)排屑深孔鉆的鉆削軸向力及扭矩測(cè)定J1工具技術(shù),1999(8):18-201【6】北京市金屬切削理論與實(shí)踐編委會(huì)1金屬切削理論與實(shí)踐M(下冊(cè),第一分冊(cè)1)北京:北京出版社,19821作者簡(jiǎn)介:吳曉丹(1960),男,廣東技術(shù)師范學(xué)院教師副教授,從事刀具、模具及塑料機(jī)械方面的研究。電話E-mail:wxd88888tom1com,w88888xd1261com。收稿日期:2006-01-25(上接第51頁(yè))3結(jié)論,C+語(yǔ)言的C+Builder,計(jì)算結(jié)果調(diào)用OpenGLAPI函數(shù)在屏幕上顯示輸出。實(shí)踐證明,通過(guò)該算法得到的復(fù)雜曲

19、面的邊界線,能滿足模型重建的工程需求。圖8的導(dǎo)向條附磨損情況,;8(b)為f=01=磨損情況,;圖8(c)為f=0114mm/r,M=19kg/m時(shí)導(dǎo)向條嚴(yán)重磨損,175°導(dǎo)向條上出現(xiàn)崩裂。原因是進(jìn)給量越大,則扭矩越大。而扭矩包括切削扭矩和磨擦扭矩兩個(gè)部分。研究顯示,深孔鉆頭的切削扭矩只占總扭矩的23%45%,其它55%77%的扭矩來(lái)自導(dǎo)向條與已加工孔的摩擦。3結(jié)論深孔鉆削刀具耐用度研究表明:(1)定義深孔鉆當(dāng)?shù)镀驅(qū)驐l發(fā)生嚴(yán)重磨損或崩缺時(shí)的鉆孔深度作為刀具耐用度的評(píng)判尺度。(2)刀刃的磨損的機(jī)械磨損較小,主要發(fā)生在外刀刃上。崩刃是刀刃損壞的主要原因。(3)導(dǎo)向條的磨損和破碎是鉆頭

20、破壞的主要原因,其中175°方向?qū)驐l磨損最快,過(guò)大的磨擦扭矩是導(dǎo)向條磨損的主要原因。(4)最佳刀具耐用度為716m。相應(yīng)的切削速度為450r/min,進(jìn)給量為45mm/min。導(dǎo)向條最佳錐度為-0106。作者認(rèn)為,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)向條磨損和破碎控制的研究。參考文獻(xiàn)【1】TamásVárady,RalphR1Martin,JordanCox1ReverseEngineeringofGeometricModels-AnIntroductionJ1Computer-AidedDesign,1997,29(4):255-2681【2】李江雄1反求工程中復(fù)雜曲面邊界線的自動(dòng)提取技術(shù)J1機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2000,29(2):26-281【3】白仲棟,彭炎午1復(fù)雜曲面反求工程中的邊界處理技術(shù)研究J1機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2001,20(4):481-4821【4】孫福輝1逆向工程中重建CAD模型的若干關(guān)鍵技術(shù)研究D1北京:北京航空航天大學(xué),2001181【5】CignonP1,MontaniC1,ScopignoR11DeWall:afastdi2videandconquerdelaunaytriangulationalgorithminEJ1CAD,1998,30(5):333-3411d【6】S