中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（遼寧 110043）張軍 楊金發(fā) 葉洪濤 杜凌霄

本文采用M42高速鋼鉆頭進(jìn)行TC4材料鉆削性能試驗(yàn)，分析其切削加工性及刀具磨損機(jī)理。并通過(guò)試驗(yàn)建立相應(yīng)的切削力、切削溫度、刀具壽命公式。并通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)TC4材料機(jī)匣鉆削加工過(guò)程進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

一、TC4材料鉆削性能試驗(yàn)

1.試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)在DAEWOO AVC－50立式加工中心上進(jìn)行，鉆削過(guò)程中用Kistler－9257B 鉆削測(cè)力儀對(duì)X、Y、Z三個(gè)切削分力進(jìn)行采集，同時(shí)用TES1310數(shù)顯熱電偶采集切削區(qū)溫度信號(hào)，溫度測(cè)試裝置見(jiàn)圖1a。

工件為塊料，刀具選用M42高鈷直柄高速鋼鉆頭，刀具直徑d為6mm、8mm、10mm，頂角140°，鉆削深度為直徑的2倍。以鉆削過(guò)程中的發(fā)出尖銳異常的聲音作為刀具失效的判據(jù)。

圖1 鉆削試驗(yàn)

由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，鉆削條件下切削區(qū)溫度極高，因此，必須采用切削液（Blasocut ART870，濃度15%）。刀具壽命切削試驗(yàn)結(jié)束后采用掃描電鏡（SEM）和能譜分析技術(shù)（EDS）對(duì)刀具的磨損形態(tài)及局部化學(xué)成分進(jìn)行分析。

考慮到在鈦合金加工中，切削溫度比較高，鉆削加工散熱條件差，必須在切削液狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。為了提高實(shí)驗(yàn)效率，采用正交試驗(yàn)法，主要研究切削過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)刀具壽命、切削力、切削溫度的影響。

2.高速鋼鉆頭磨損

刀具的磨損形態(tài)，直徑較小6mm、8mm的刀具切削過(guò)程刀具的磨損形態(tài)主要為主、副切削刃交界處的磨損和塑性變形。直徑較大的10mm刀具在進(jìn)給量較小情況下主要磨損形態(tài)為副切削刃的羽狀磨損，進(jìn)給量較大的情況下磨損形態(tài)主要為塑性變形（見(jiàn)圖2）。刀具磨損機(jī)理為粘結(jié)、氧化及由于熱－力交互沖擊作用下的刀具微破損及塑性變形。

圖2 刀具失效后的磨損形貌SEM圖像及能譜

3.高速鋼鉆頭切削力、切削溫度研究

鉆削過(guò)程中，與X、Y向切削力與Z向切削力相比數(shù)值很小（見(jiàn)圖3），在此主要對(duì)Z向切削力及Z向轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析。

根據(jù)正交試驗(yàn)回歸及擬合度檢驗(yàn)方法，獲得如下Z向切削力均值及Z向轉(zhuǎn)矩均值擬合公式如下：

式中，F(xiàn)z為Z向切削力均值（N），Mz為Z向轉(zhuǎn)矩均值（N·m），vc為切削速度（m/min），f為進(jìn)給量（mm/r），d為刀具直徑（mm）。

圖3 鉆削過(guò)程的三向切削力圖像

由切削力公式可以看出，刀具直徑和進(jìn)給量增大使切削力增大，而切削速度增加使切削力下降。

切削溫度試驗(yàn)擬合公式

式中，θ為切削溫度，其他參數(shù)同上。

4.高速鋼鉆頭壽命

根據(jù)刀具壽命預(yù)測(cè)的理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以獲得如下刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式

式中，T表示刀具壽命，其他參數(shù)同上。

試驗(yàn)表明，直徑較大的刀具在相同的速度及進(jìn)給量條件下壽命明顯高于直徑較小的刀具。主要是由于直徑較大的刀具在相同的切削速度下轉(zhuǎn)速較低，切削液能進(jìn)入切削區(qū)對(duì)刀具有效冷卻。而直徑較小的刀具在同樣的切削速度下轉(zhuǎn)速高，切削液很難進(jìn)入切削區(qū)，刀具得不到充分冷卻，導(dǎo)致主、副切削刃交界處溫度較高，使得刀具磨損劇烈或產(chǎn)生塑性變形、因而壽命較低。進(jìn)給量對(duì)刀具壽命影響較明顯，隨進(jìn)給量的增大，刀具壽命明顯降低。切削速度在8～12m/min的范圍內(nèi)對(duì)刀具壽命的影響較小。

根據(jù)上述分析，刀具直徑相同的情況下，在6～12m/min的切削速度范圍內(nèi)，進(jìn)給量對(duì)刀具壽命的影響大于速度的影響。因此，建議在適當(dāng)切削速度下，采用較小進(jìn)給量，以提高刀具壽命。

二、機(jī)匣加工工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

零件試驗(yàn)部位直徑尺寸為φ900mm，外廓尺寸較大，壁厚較小，尺寸精度要求均較高，屬于易變形的薄壁零件。由于零件部分外型面較復(fù)雜，不能沿圓周連續(xù)切削，以普通的銑削加工滿足不了設(shè)計(jì)圖樣的要求，因此在加工中要根據(jù)具體情況選擇精度合適的加工中心，并避免同一零件同一工序多次更換設(shè)備加工。鉆孔加工示意圖如圖4所示。

圖4 鉆安裝孔

從式4知道，進(jìn)給量f對(duì)刀具壽命影響最大，因此選定進(jìn)給速度作為優(yōu)化變量。結(jié)合加工成本構(gòu)成要素，并在考慮了刀具重磨后，分?jǐn)偨?jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，得出在轉(zhuǎn)速n＝360m/min時(shí)的優(yōu)化進(jìn)給速度為f＝0.05mm/r。此時(shí)，金屬切除率為0.74cm3/min，加工效益為2.0元/min。切削速度與加工效益關(guān)系如圖5所示。

M42鉆削優(yōu)化前后對(duì)比效果分析見(jiàn)附表。

圖5 M42鉆頭進(jìn)給速度與加工效益關(guān)系（轉(zhuǎn)速n＝360r/min）

對(duì)比分析表

M42鉆削優(yōu)化前后對(duì)比效果（轉(zhuǎn)速n=360r/min）

從切削速度與加工效益關(guān)系圖上看，TC4鈦合金鉆削加工進(jìn)給速度可選擇范圍較窄，M42刀具還是比較適合鈦合金鉆削加工的。刀具經(jīng)過(guò)切削參數(shù)優(yōu)化，在提高加工效率和降低成本上都有很明顯改善。