钛合金深孔刀具耐用度及参数优化

1、机床与液压20061No1773钛合金深孔刀具耐用度及参数优化吴晓丹,何琼儒,杨公明23(11广东技术师范学院机电系,广州510665;21西北工业大学,西安710072;31华南农业大学食品学院,广州510642)摘要:深孔钻削钛合金难度大,刀具极易损坏。本文在原来自行设计和制造的内排屑钻孔(BTA)深孔钻头基础上,通过对钛合金材料的深孔加工试验,对改进后的深孔钻头的失效机理进行了分析研究,并探讨了钛合金深孔加工时进给量、刀具转速与耐用度的关系,优化了工艺参数和刀具结构、最终达到提高刀具耐用度的目的。关键词:深孔钻头;钛合金;刀具耐用度;参数优化中图分类号:TG713文献标识码:A文章编号:

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钛合金深孔加工非常困难。一方面,钻头全部刀刃同时参与切削工作,中心处切削速度为零,与工件、切屑产生严重挤压;钻杆细长,刚性差,产生震动,易导致打刀、崩刀;排屑空间小,断屑难、深孔散热条件差等。另一方面,钛合金切削时的变形系数小于1,即在切削过程中,切屑不但未收缩,反而变长,在前刀面上流动的路径大大增加,产生严重摩擦;钛合金导热性很差,同时切屑与前刀面的接触面积又小,切削温度高,单位压力高,钛合金对刀具材料的化学亲和性又强,因此

5、粘刀磨损严重;而弹性模数E小,切削表面的弹性恢复等特性也增加了刀具1-3的磨擦。这些不利因素的合成,导致钛合金深孔加工时钻头极易磨损,耐用度很低。在深孔加工方式上,内排屑深孔钻(BTA)系统的钻杆截面扭转刚性较好,内通高压切削油起作限制钻杆振动的作用。加工表面质量好。为此,本文在原来自行设计和制造的4,5内排屑钻孔(BTA)深孔钻头基础上,通过对钛合金材料的深孔加工试验,定义了以钻头刀刃或导向条失效作为刀具耐用度的评判尺度。利用扫描电镜观察了刀刃和导向条试样表面的磨损、破损形貌,对改进后的BTA深孔钻头的失效机理进行了分析研究。探讨了钛合金深孔加工时进给量、刀具转速与耐用度的关系,并对钻削参数

6、及刀具结构进行了优化。1实验方法及设备钻头以矩形内螺纹与机床钻杆连接,对尺寸为+011<150mm×760mm的TA2钛锭钻通孔,孔径<65mm。刀具进给由液压传动实现无级进给,工件旋转。钻杆细长,容易变形,在机床导轨上安装活动中心支承,可对钻杆的任意位置进行支承。利用扫描电镜、光学显微镜等图像摄取仪器观察刀刃和导向条,以特定的失效特征和形式作为条件,以内排屑深孔钻头最大钻深量为耐用度实验指标。深孔钻床为西德B5SB;切削液为20号机械油及添加剂;扫描电镜为X-650型;光学显微镜;自行设计BTA深孔钻头:三刃错齿结构,40Cr刀体,YG8硬质合金机夹可转位刀片及导向条,

7、螺钉压孔式压紧。主偏角Kr=75°,前角=0,主后角0=12°,各刃副后角=6°12°。导向块1的位置角1=175°,导向块2的位置角。2=275°2结果与讨论211刀具耐用度与切削参数的影响21111刀具耐用度定义在钛合金深孔钻削试验中发现,深孔钻头的失效形式与常规的刀刃正常磨损大不相同,刀具耐用度的定义不能仅以常规的前后刀面磨损为判据来绘制刀具耐用度与切削用量之间的关系曲线。由于钻头失效形式与一般刀具不同,本试验将检验判据规定为在切削完一个钛锭之后,观察该刀具是否可继续使用,当刀© 1994-2007 China Aca

8、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 74刃或导向条发生严重磨损或崩缺时,便中止该组刀刃或导向条的使用,此时的钻孔深度便作为刀具耐用度的评判尺度。21112进给量的影响进给量是与钻孔速度、精度和刀具耐用度有关的重要指标,选择合理的进给量可提高刀具耐用度。图1为进给量与耐用度关系曲线。由图可见,在各种切削速度下,刀具耐用度随着进给量的增加而增加,但增加到一定的程度后便显下降状态。若进给量过小,摩擦增大,排屑量小,带走热量小,导致耐用度降低;而进给量过大,导致刀具所受切削力增加,排屑量增加,不仅相应增加了刀具

9、的磨损,也容易产生严重崩刃的现象。可见深孔钛合金加工应该对进给量进行优化。在本研究参数下,进给量0109左右为最佳进给量。机床与液压20061No17在一般黑色金属的切削加工中,刀片的磨损是主要失效形式。而在正常、稳定的钻削条件下,崩刃是钛合金深孔加工中刀刃失效的一种主要形式。3个刀刃都有崩刃且刀刃小裂纹较多。主要原因有:首先,钻头的引入切出过程中出现切屑堵塞、或切削中碰到硬质点和导套间隙过大等,都造成切削力突然上升,产生剧烈振动,如图3(b)、(f)。其次,切削堵屑时,切屑与刀片牢固粘结,停机清理钻头时人为揭拔而使刀片崩刃,如图3(c)。另外,由于冲击造成外刀刃前刀面上发生硬质合金层的剥离,

10、如图3(e)。图3刀具的主要失效形式21212导向条失效21113钻头转速影响转速影响切削速度、排屑速度及热量的产生和排出,也存在一个优化选择问题。从图2可见,若切削速度过低,则钻屑带走的热量小,散热差,导致深孔内钻头发热,降低耐用度;若切削速度过高,导致摩擦及发热增加,甚至钻屑滞留,高温高压导致钛合金与刀具的粘结、撕裂的频率增加,刀具磨损增加。故其对耐用度的影响呈抛物线形状,有一个最佳转速。本研究确定的最佳刀具耐用度为716m。相应的切削速度为450r/min,进给量为45mm/min。212刀具的主要失效形式研究并确定深孔钻削中刀具的主要失效形式和失效机理,可在刀具、设备及加工工艺上采取有

11、针对性措施,以提高刀具耐用度。21211切削刀刃的磨损与崩刃磨损是刀具刀刃正常的失效形式。磨损主要发生在外刀刃,而中刀刃和内刀刃的磨损很少。外刀刃的前后刀面上均有积炭发黑现象,呈现一窄条黑带。如图3(a)、(d)。磨损方式中,机械磨损是主要方式。因为钛合金在高温度下吸收介质中的O、N、C等,形成TiO2、TiN、TiC等硬质点,加速了刀刃的磨损。当v=450560r/min时,出现积屑瘤,将产生粘结磨损。实验表明,同一把钻头上的导向条失效比刀刃失效要早得多。即是说导向条的耐用度比刀刃的耐用度要小得多,导向条的过早失效将导致钻头达不到刀刃所具有的耐用度。所以导向条的失效是造成钻头耐用度低的主要因

12、素。(1)导向条磨损粘结麻坑。如图4(a)(v=91189m/min,f=011mm/r),导向条表面材料被粘附物带走或表层脱落,刀具表面出现麻坑;图4(b)(v=91189m/min,f=0108mm/r)上可见粘着物。产生粘结的原因是:材料分子间的吸附:导向条和工件孔壁相互接触,并作相对摩擦运动,两接触表面上的微凸体达到57A°的分子距离,表面微观不平接触点彼此粘连。若导向条为强度弱方,使其从基体上撕开,产生麻点凹坑。导向条的结构不合理时,钛合金的回弹作用使工件与导向条接触处局部产生高压高热,支承载荷的导向条材料发生塑性流动,润滑油吸附膜破坏,导致两者局部粘结、焊合,并产生撕裂。

13、导向条材料组织缺陷。由于内部存在裂纹、孔隙等缺陷,造成导向条微区强度低,撕裂发生在弱的地方。摩擦中材料的疲劳、硬化变脆以及冷却液进入疲劳裂纹,又经高压,使部分表层破裂。如图4(c)(v=91189m/min,f=01088mm/r)。在多晶材料的边界上,晶格是扭曲的,同时晶介也存在杂质,在高温下,晶粒边界变© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 机床与液压20061No1775织上的缺陷在机械应力、热应力交替作用下出现裂纹,并形成不规则裂纹或网状裂纹。如图

14、6(c)(v=114135m/min,f=010893mm/r)。导向条焊接裂纹。从扫描电镜中发现,有许多崩块处出现台阶式的脆性断裂,与焊接质量有很大关系。导向条崩块时,由于断裂应力和碎块脱落后的挤压作用,在原崩落处产生二次裂纹。如图6(d)(v=114135m/min,f=010893mm/r)。形抗力小,导向条可沿晶界撕裂,产生块剥落,如图4(d)(v=72149m/min,f=01098mm/r)所示。图4扩散。如图5(a)(v=91189m/min,f=01077mm/r)所示。两种材料在高温高压下相互接触,材料的成份存在浓度梯度,导致相互扩散的现象。刀刃中的碳扩散到钛合金中形成TiC

15、,刀刃因失去碳而性能下降,加速了磨损。图6导向条的裂纹与崩裂图5导向条裂纹与粘结(2)导向条破损导向条的破损形式主要为裂纹和崩块。加工时间一长,导向条往往发生崩块现象。原因是:钛合金加工后回弹大,对导向条产生很大抱紧力,导致摩擦矩加大,疲劳裂纹扩展,导致崩块。如图5(b)(v=91189m/min,f=01077mm/r)。硬质点导致碎裂。试验中发现,切削中刀刃碰着硬质点时,产生剧烈振动,导向条崩裂,产生较大的崩块,如图6(a)(v=91189m/min,f=01088mm/r)。试验表明,当切削速度上升至114135m/min时,切削温度急速上升,强裂的摩擦作用产生热应力裂纹,如图6(b)(

16、v=114135m/min,f=010893mm/r)。刀具材料组213导向条结构及位置分布与失效的关系图7为导向条锥度对刀具耐用度的影响。实验表明,钻头导向条为正锥(头部小,尾部大)结构时,由于钛合金回弹作用,使导向条后部与钛合金接触应力急剧增加,加图7导向条锥度对刀大了导向条的磨损,因此具耐用度的影响刀具耐用度很低;当使用倒锥导向条结构时,有刀具与工件的磨擦减少,刀具耐用度增加,孔的表面粗糙较好。另外,采用当导向条直径小于加工孔径的结构,刀具耐用度和表面粗糙也都有明显提高。若两个因素同时考虑,可获得较高的刀具耐用度。当倒锥为-0106,导向条最大直径比孔的直径小0115mm时,可获得最高刀

17、具耐用度。图8为导向条所占位置对刀具耐用度的影响。总的来说,因为支承径向切削力的关系,与刀刃前刀面成175°方向的导向条,都比275°方向的导向条磨损严重。因此,175°方向导向条的失效快慢就是影响刀具耐用度的关键。图8也表示了进给量与导向条的磨、破损程度的关系。图8(a)为f=01078mm/r,M=1412kg/m时© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 76机床与液压20061No17艺系统分析J1机械工程师,2000(

18、6):27-281【5】吴晓丹,何琼儒,等1内排屑深孔钻的钻削轴向力及扭矩测定J1工具技术,1999(8):18-201【6】北京市金属切削理论与实践编委会1金属切削理论与实践M(下册,第一分册1)北京:北京出版社,19821作者简介:吴晓丹(1960),男,广东技术师范学院教师副教授,从事刀具、模具及塑料机械方面的研究。电话E-mail:wxd88888tom1com,w88888xd1261com。收稿日期:2006-01-25(上接第51页)3结论,C+语言的C+Builder,计算结果调用OpenGLAPI函数在屏幕上显示输出。实践证明,通过该算法得到的复杂曲

19、面的边界线,能满足模型重建的工程需求。图8的导向条附磨损情况,;8(b)为f=01=磨损情况,;图8(c)为f=0114mm/r,M=19kg/m时导向条严重磨损,175°导向条上出现崩裂。原因是进给量越大,则扭矩越大。而扭矩包括切削扭矩和磨擦扭矩两个部分。研究显示,深孔钻头的切削扭矩只占总扭矩的23%45%,其它55%77%的扭矩来自导向条与已加工孔的摩擦。3结论深孔钻削刀具耐用度研究表明:(1)定义深孔钻当刀片或导向条发生严重磨损或崩缺时的钻孔深度作为刀具耐用度的评判尺度。(2)刀刃的磨损的机械磨损较小,主要发生在外刀刃上。崩刃是刀刃损坏的主要原因。(3)导向条的磨损和破碎是钻头

20、破坏的主要原因,其中175°方向导向条磨损最快,过大的磨擦扭矩是导向条磨损的主要原因。(4)最佳刀具耐用度为716m。相应的切削速度为450r/min,进给量为45mm/min。导向条最佳锥度为-0106。作者认为,应进一步加强对导向条磨损和破碎控制的研究。参考文献【1】TamásVárady,RalphR1Martin,JordanCox1ReverseEngineeringofGeometricModels-AnIntroductionJ1Computer-AidedDesign,1997,29(4):255-2681【2】李江雄1反求工程中复杂曲面边界线的自动提取技术J1机械设计与制造工程,2000,29(2):26-281【3】白仲栋,彭炎午1复杂曲面反求工程中的边界处理技术研究J1机械科学与技术,2001,20(4):481-4821【4】孙福辉1逆向工程中重建CAD模型的若干关键技术研究D1北京:北京航空航天大学,2001181【5】CignonP1,MontaniC1,ScopignoR11DeWall:afastdi2videandconquerdelaunaytriangulationalgorithminEJ1CAD,1998,30(5):333-3411d【6】S