钛合金深孔钻削温度测量及加工表面质量研究

秦 声，密思佩，明伟伟，陈 明

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

1 前言

钛合金由于比强度高，耐热性好，耐腐蚀，密度小，无磁性等特性，被广泛应用于航空、航天、化工、医疗器械等领域[1-3]。在航空航天领域中，由于部件尺寸的减小和功率密度的增加，常要求加工小直径和高长径比的深孔[4]。对于此类深孔加工，切削过程处于封闭或半封闭环境，易产生高温损伤孔壁，监测其切削温度，研究切削温度对孔壁表面质量的影响具有重大意义。

为了获得良好的加工质量，许多方法已被用于深孔加工，如枪钻，BTA[5]，DF等。然而，由于麻花钻的正角切削有利于切屑平滑流出，深孔加工中麻花钻仍然为主要的一种加工方式[6]。金属加工质量与加工参数如切削速度、进给量等有关，其中，温度是金属切削的关键因素，特别是对于钛等难加工材料。许多研究人员研究了深孔钻削时的切削温度，如文献[7]使用热电偶测量钻削温度，并使用Taguchi方法优化切削参数。文献[8]将热电偶集成到切削刃附近的钻头中，以测量钛钻削过程中的钻削温度。文献[9]在工件中嵌入热电偶来测量钻孔温度。文献[10]使用热红外成像仪监测薄壁工件表面，采集钻削温度的变化。除了温度测量方法，许多研究人员还对钛合金的加工质量进行了研究。文献[11]对钛合金钻削进行了全面分析，发现钛合金表面对粘附材料极为敏感。文献[12]在钻削过程中对比了不同润滑剂的作用，试验结果发现MQL的作用最好，对工件加工质量最为友好。文献[13]发现加工表面形貌取决于钻头及其涂层的类型。文献[14]研究了TC4钻削过程中的显微组织和显微硬度，发现亚表面显微硬度沿孔长略有变化，且对润滑条件较为敏感。

采用旋转测温刀柄测量TC4钛合金深孔钻削的温度，研究切削加工参数对深孔加工温度的影响规律，分析深孔加工温度与孔壁表面质量的关系，确定有利于TC4钛合金深孔钻削表面质量的钻削工艺参数。

2 TC4深孔钻削实验

2.1 工件材料

试验采用锻造α-β 相Ti-6Al-4V（TC4）合金，工件尺寸为（500×200×30）mm。Ti-6Al-4V的化学组成，如表1所示。

表1 Ti-6Al-4V合金的元素成分Tab.1 Chemical Composition of Ti-6Al-4V

2.2 实验设备

深孔钻削试验在HAAS EC-160 卧式加工中心进行。本次实验内冷孔预埋热电偶丝的方法在线测量深孔钻削过程的温度。试验装置采用两个K型标准热电偶安装在钻头侧面的内冷却孔中，两个埋在内冷却孔中的热电偶与旋转测温刀柄连接，实现加工过程温度采集卡对温度实时采集，其中，温度采样信号为1Hz，如图1所示。实验结束后，通过数据线将采集的数据传到计算机中完成数据的输出。

图1 TC4深孔钻削试验装置Fig.1 Experimental Setup of TC4 Deep Hole Drilling

试验中使用的刀具为硬质合金麻花钻，其信息，如表2所示。

表2 刀具信息Tab.2 Tool Information

2.3 试验方案

TC4深孔钻削试验采用全因素方法，钻削参数，如表3所示。所有试验均为干切削。钻孔深度为150mm，约为钻头直径的12.5倍，在钻深孔之前先钻20mm的导孔。试验后，测量深孔的表面粗糙度和表面纹理，分析加工表面的硬化层。

表3 TC4深孔钻削试验参数Tab.3 Deep Hole Drilling Parameters

3 试验结果分析

3.1 TC4深孔钻削温度

转速10m/min，进给量为0.04mm/rev参数下钻孔温度随着深度变化的曲线，如图2所示。由于导孔的存在，钻头在前20mm内没有参与切削，测得的温度为室温。当钻头开始参与切削，测得的温度急剧上升，最后当钻孔深度达到60mm 时，温度稳定在250℃附近。深孔钻削为封闭钻削，没有内部冷却和有效的切屑去除，随着深度的增加，因切削热的积聚，测得的温度略有上升，其最大值可达到270℃。因为热电偶测量端距离切削刃约2mm，实际测得的温度略低于切削区域的实际切削温度。收集的信号可表示切削温度的变化趋势。

图2 钻削温度与钻削深度的函数关系（10m/min，0.04mm/rev）Fig.2 Drilling Temperature as a Function of Drilling Depth（10m/min，0.04mm/rev）

试验所测得的全部钻削温度曲线，如图3 所示。所有曲线都有类似的趋势：随着钻削深度的增加，温度上升，增长率下降。在0.04mm/rev的进给速度下，钻削温度随钻削速度变化波动很大。在切割速度为10m/min时，温度约为250℃，而在20m/min和30m/min时，温度约为530℃和570℃，由试验数据可见切削速度对切削温度有着显着的影响，并且随着切削速度的增加，切削温度急剧上升。因为当工件处于较高的切削速度，材料去除率上升，产生的切削热量快速增加而无法及时消散到工件或切屑中，导致切削温度急剧上升。然而，当切削速度超过20m/min时，温度增加速率开始下降，此时进给速度对温度有轻微和不规则的影响。这是由于切削刃处的切削厚度增加，切削所需功率增加，从而导致了更高的切削温度。

图3 试验测得钻削温度变化规律Fig.3 Drilling Temperatures of All Tests

3.2 深孔加工表面质量

孔深为50mm，90mm和130mm的孔壁被剖开进行进一步的表面质量分析。所测试三个位置的表面粗糙度，如图4所示。前四次试验的表面粗糙度差异不大，随着钻削速度和进给量的增大，表面粗糙度略有增加，Rɑ约为0.6μm。第五次测试结果异常，所测试的三个位置的表面粗糙度均为最大，均超过1μm。这可能是由钻削温度过高引起的，第五组所测温度是六组实验所测得温度中的最高值。在第三和第六次测试中，90mm处的表面粗糙度比其他位置大得多，这是由第三和第六次测试中该位置的弱刚性引起的。

图4 孔深50mm，90mm and 130mm深孔的表面粗糙度RaFig.4 Surface Roughness Ra of Deep Holes at Hole Depth 50mm，90mm and 130mm

在三个不同钻削参数下钻孔深度为130mm处的表面加工形态，如图5所示。粘附材料和表面划痕是加工表面的主要缺陷。粘附材料是由高温引起的，而表面划痕是由切屑引起的。随着温度的升高，材料软化并更容易粘附到刀具和已加工表面上。因此，第五次试验的表面具有最多粘附的钛，这与温度和粗糙度结果一致。

图5 不同参数下加工表面的SEM图像Fig.5 SEM Images of Machined Surface under Different Parameters

3.3 深孔加工表面硬化

还研究了加工硬化现象。四组加工参数下孔深度为130mm处已加工表面的金相组织，如图6所示。由于钛加工过程中的高应变率，加工表面周围的晶粒沿进给方向变形。高温导致已加工表面烧伤，对加工表面造成了很大的破坏，如图6（a）所示。可以发现约10μm的白色层，其由钛的β相组成，这种现象表明实际切削区温度高于相变温度。那些新产生的β相进而导致严重的加工硬化现象，如图6（b）所示。相变层下也存在晶粒畸变现象，如图6（d）所示。

图6 四组参数下加工表面的金相结构Fig.6 Microstructure of Machined Surface under Four Parameters

4 结论

通过锻造α-β 相Ti-6Al-4V（TC4）合金全因素深孔钻削试验，研究了基于旋转测温刀柄的钻削表面质量影响因素，试验结果表明：

（1）采用热电偶温度测量的方法可成功采集深孔钻削的温度。

（2）切削速度对钻削温度的影响最大，进给速度对钻削温度略有影响。

（3）当切削速度达到30m/min 时，表面质量迅速恶化，产生表面烧伤和严重的加工硬化现象。

（4）结合试验结果，建议实际使用深孔钻削参数为20m/min，0.08mm/rev。