钛合金与铝合金叠层材料制孔研究

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钛合金与铝合金叠层材料制孔研究

　　随着科学技术的迅猛发展，对工程结构材料性能的要求不断提高，尤其在航天、航空、船舶等重要场合，传统的单一组份材料已经很难满足要求，因此，常用叠层材料代替单一材料来使用。叠层材料多由铝合金、钛合金及复合材料组成，它比单一材料具有更高的比强度。在装配叠层材料过程中，需要大量的铆接和螺接孔，为了保证装配质量和装配效率，应对叠层材料进行一次钻孔，而不是分开钻。

　　商丘师范学院的张兴华对钛合金Ti-6Al-4V和铝合金7075-T6组成的双金属叠层材料进行了钻削实验研究，分析了叠层顺序、压紧力和切削参数对层间毛刺大小和微观形态的影响。试验结果表明叠层顺序和压紧力对层间毛刺的大小有显著的影响，而主轴转速和进给量对层间毛刺的高度影响不明显。徐晓霞等人利用田口正交试验设计方法，通过对铝合金2024-T3和7075-T6组成的层叠材料进行干式钻削试验，分析了叠层顺序、预加载压紧力、进给量和转速对层间毛刺的影响，试验表明预加载压紧力和钻削进给量对层间毛刺的大小影响较大。

　　德国研究学者B.Denkena等人用铣刀采用螺旋铣削的加工路径铣削复合材料/钛合金叠层板构件，被加工孔的直径可以通过数控编程控制螺旋铣削的路径来实现。与传统的钻削复合材料/钛合金叠层板构件相比，螺旋铣削可以减少钛合金的出口毛刺缺陷和复合材料的分层缺陷，其主要研究工作针对轴向进给速度Vf和切向进给速度Vc对铣削力和制孔质量的影响。Newton等人和Melkote等人对由2024-T351和7075-T6两种铝合金组成的叠层材料进行了钻削实验，认为刀尖角、压紧方式和孔距压紧源的距离对层间毛刺的形成有显著影响，切削参数和刀尖形式有一定的影响，而钻头的磨损对毛刺大小的影响则很小。

　　本文通过对钛合金TA15与铝合金7075-T6组成的叠层结构进行试验研究，分析切削参数对轴向力和扭矩的影响。并通过不同刀具材料的对比试验，进行刀具磨损试验，分析刀具磨损对切削轴向力的影响。

　　1  试验

　　1.1  工件材料和刀具

　　试验中工件选用的2种材料以及尺寸如下：
　　(1)选用钛合金TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)材料，尺寸为120 mm×100 mm×12 mm;

　　(2)选用铝合金7075-T6材料，尺寸为120 mm×100 mm×12 mm。

　　这2种材料的机械性能如表1所示。

　　刀具选用Y330整体式硬质合金圆柱柄钻头，其直径为8 mm，刀尖角为15°，螺旋角为30°，无涂层。

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　　1.2  试验设备

　　切削试验设备包括：(1)沈阳机床股份有限公司出产的VMC850B三坐标立式加工中心;(2)YDX-Ⅲ9702型压电式扭矩测力仪(配有8个安装用的外六角螺钉M6×35);(3)SINOCERA YE5850型两通道电荷放大器及相应的数据采集系统;(4)用Visual Basic6.0中文版编写的切削力动态测量显示系统软件;(5)电缆、台式计算机1台(Windows XP系统)。

　　测力仪固定在工作台上，并与电荷放大器连接，在加工过程中，将电荷信号传递给数据采集系统，从而在切削力动态测量显示系统软件中显示出轴向力和扭矩的变化曲线。切削试验设备实际连接情况如图1所示。

　　1.3  试验设计

　　叠层顺序对层间毛刺根厚度和层间毛刺高度有显著影响，Ti-Al叠层顺序有助于减小毛刺的大小。此外，如果选择Al-Ti叠层顺序进行钻削，锋利又未折断的钛合金切屑会粘在刀具表面，使得铝合金板上孔径增大，影响孔壁质量。因此，本文中，采用Ti-Al叠层顺序进行试验。

　　由于钻头为定尺寸刀具，所以只考虑主轴转速和进给量的影响。在钻削钛合金时，过高的主轴速度会加剧刀具的磨损，增加切削温度，影响加工质量。本文选取主轴转速范围150～250 r/min，进给量为0.06～0.12 mm/r。进行全面试验，钛铝叠层材料钻削试验工艺参数设定如表2所示。

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　　2  试验数据处理与分析

　　图2所示钻头直径8 mm，主轴转速n=200 r/min，进给量f=0.06 mm/r的参数下钻削过程轴向切削力变化曲线。从图中可以看出：在a—b段，钻头逐渐切入钛合金TA15，轴向切削力逐渐增大;随着钻头主切削刃全部切入钛合金后，在b位置轴向切削力达到最大值1 095 N，之后轴向力趋于稳定，为964 N;随着刀具继续进给，在靠近钛合金和铝合金界面c点处，轴向切削力略有增大，达到1 071 N，此时钻头横刃通过推挤作用加工钛合金底层，再加上钛合金和铝合金切削加工性的巨大差异，引起刀具振动，从而导致轴向力的增大;接着钻头主切削刃切离钛合金，切入铝合金板，轴向切削力不断减小，如图中c—d段所示;d—f段为钻头完全切离钛合金后，加工铝合金的过程，这个阶段轴向切削力相对稳定，钻头稳定切削的轴向力大约在510 N左右;f—g段曲线为钻头切离铝合金过程，此时轴向切削力不断减小，直至钻头切出工件，轴向力降为零。

　　改变切削参数如表2所示进行试验，每一组参数重复测量两次，并取切削稳定阶段进行分析，切削钛合金时的轴向力和扭矩的变化曲线如图3和图4所示。

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　　从钛合金轴向力的变化曲线可以看出，进给量对轴向力的影响远大于主轴转速的影响，并且，随着进给量的增加，轴向力明显增大，因为进给量增加，切削厚度增大，故轴向力增大。主轴转速对轴向力的影响相对小些，当进给量为0.06 mm/r、0.08 mm/r时，随着主轴转速的增加，轴向力略有减小;当进给量大于0.10 mm/r时，随着主轴转速增加，轴向力有时反而也略有增大，但总的趋势仍是减小，这主要是因为钛合金的导热系数小，当主轴转速增大时，切削温度也随之增加，从而使增大了轴向力。

　　钛合金扭矩的变化曲线和轴向力大体一致，采取较小的进给量和适当的主轴转速，能减小刀具受到的扭矩。由于硬质合金刀具具有较锋利的切削刃，切削力变化较小，因此，扭矩的变化相对稳定。

　　在加工钛合金时，下层的铝合金充当了天然的衬板，有助于减小轴向力和扭矩(钛合金TA15单板钻削时，轴向力达到1 200 N以上)，并提高加工质量。但是，加工过程中，长而锋利的钛合金切屑不利于自动化加工，并且影响已加工孔的孔壁质量。

　　图5和图6为加工铝合金时轴向力和扭矩的变化曲线。从图中可以看出，轴向力和扭矩的变化趋势跟加工钛合金时一致：减小进给量，提高主轴转速均能减小轴向力和扭矩。由于铝合金的导热性能较好，切削热能有效地散去，因此，即使采用较大的主轴转速也不会导致切削温度过高而引起轴向力和扭矩的增大。

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　　3  刀具磨损试验

　　为了对比在加工钛/铝叠层材料时，普通高速钢和硬质合金Y330钻头的磨损情况。现进行连续钻削试验，钻削参数如下：刀具材料为硬质合金Y330和高速钢，刀具直径为8 mm，主轴转速n=200 r/min，进给量f=0.10 mm/r。以钛合金层的轴向力大小为刀具磨损指标，观察随着钻孔数量的增加，轴向力的变化趋势，如图7所示。

　　由图7中可以看出，硬质合金刀具受到的轴向力比高速钢要小得多，并且，轴向力变化更平稳。用高速钢钻削钛/铝叠层材料时，在连续加工了大约7个孔后，轴向力过大，刀具磨损较为严重，必须重新刃磨;而用硬质合金钻孔时，在所加工的前50个孔中，轴向力变化比较稳定，孔加工质量也较好，随着钻孔数量的继续增加，轴向力增大较快，这主要是由于钻头上堆积的切削热导致的，冷却一段时间后，仍可以用于加工。通过比较可知，无论从刀具寿命还是轴向力大小，硬质合金Y330均具有更好的切削加工性。

　　4  结语

　　通过对钛合金TA15与铝合金7075-T6叠层材料钻孔试验，得到以下结论：

　　(1)进给量对轴向力和扭矩的影响较大，随着进给量的增加，轴向力和扭矩也随之增加。

　　(2)主轴转速对轴向力和扭矩的影响较小，随着主轴转速增加，轴向力和扭矩略有减小;但是，此时切削温度也随之增加，刀具磨损加剧，又会使轴向力和扭矩增大。所以，主轴转速要综合考虑多个因素来选择。

　　(3)采用不同刀具材料进行磨损试验，通过轴向力大小和钻孔数量比较，结果证明硬质合金Y330具有更好的切削加工性。