1、序言

TB6钛合金具备高强度、低密度和强耐蚀性蹬着点，在飞机机身、机翼和起落架结构中用该资料可代替等强度的20CrMnSiA和TC4资料，结构质量可别离降低40%和20%，目前已宽泛利用于直升机旋翼系统的承载结构中，在航空航天领域占据沉要职位[1,2]。由于螺栓联接和铆接是飞机装配中最常用的部件衔接方式，因而装配孔的造备成为飞机装配的沉要工作之一3。TB6因具备高韧性、低热导率和强化学亲和性等特点，在传统钻削加工中易出现断屑难题、切削温度高以及工件资料在刀具表表粘附严沉等问题，导致孔加工精度不达标  [4, 5]，故TB6孔的加工质量提升成为亟待解决的难题。

为提高钛合金造孔质量,学者们已提出多种解决方式并获得了肯定功效，如激光和电化学孔加工超声振动辅助钻削8、螺旋铣9和低频振动辅助钻削等技术。其中低频振动辅助钻削作为一种卓有成效的加工战术，能够在保障孔加工质量的同时提高加工效能，成为造孔领域的钻研热点。

低频振动辅助钻削技术在活动学上实现了强造性断屑，降低钻削温度，预防敏感的陆续型切屑对孔壁的刮擦，利于提高孔加工质量  [11]。HUSSEIN等  [12]对CFRP/TC4叠层资料进行了钻削试验，发现增长低频振动后，钻削加工的扭矩和轴向力与传统钻削相比别离降低了25%和45%，且增长低频振动后刀具表表的资料粘附景象显著降低，与传统钻削相比，后导的磨损带宽度削减了75%，归因于优良的断屑和散热成效。PECAT等  [13,14]对低频振动辅助钻削技术的散热成效进行了着沉论说与分析，通过试验对比发现，增长低频振动后钛合金的钻削温杜咨173℃降至98℃，降落了43%。李文杰  [15]选取枪钻对TC4进行钻削加工，对比发现低频振动辅助钻削加工展示出显著的优势，具体阐发为在相称加工效能下，增长低频振动后孔的圆度误差约降低了50%，且刀具未出现传统钻削加工工况下的钻头折断景象。王福吉等[16]别离选取麻花钻和阶梯钻对CFRP TC4进行低频振动钻削加工，发现传统钻削加工时无论是在CFRP层还是在TC4层，孔径尺寸精度均高于低频振动辅助钻削加工，归因于低频振动辅助钻削技术具备优良的断屑和散热成效。杨浩骏[17]也对CFRP/TC4叠层资料进行了钻削加工试验，增长低频振动后，TC4层的圆柱度得到了显著提升，而孔径尺寸大幼则与传统钻削获得的尺寸类似。上述学者已通过试验批注:增长低频振动后断屑成效会得到有效提升，利于降低钻削加工温度、减轻刀具表表的工件资料粘附，是一种卓有成效的孔加工方式
？椎淖刺染龆ㄏ质底芭涞闹柿，目前对其系统地钻研仍极度有限。

表1 TB6钛合金的化学成分(质量分数)(%)

涂层钻头进行钻削加工  [19]，刀具直径为10mm。

为解决TB6钛合金资料在传统钻削加工中存在的孔加工质量差、刀具使用寿命短等问题，利用低频振动辅助钻削技术在降低切削力、提高刀具使用寿命和孔加工质量方面的优势，对比发展低频振动辅助钻削和传统钻削TB6的试验，分析随造孔数量不休增长对刀具磨损情况、钻削轴向力、扭矩、表表粗糙度、孔径和状态精度的影响法规，为TB6的高质高效钻削提供理论参考。

2、试验平台搭建与钻头活动轨迹分析

2.1试验平台搭建

钛合金TB6的化学成分  [18]和力学机能别离见表1和表2，因其V含量较多为10.5%，故阐发出较高的资料化学活性，易与刀具产生化学反映。因资料具备较高的硬度和强度，故选用高切削机能的AlTiN

表2 TB6钛合金的力学机能

试验工装及刀具如图1所示，选取三轴数控加工中心DMG MORI CMX 1100Vc发展钻削试验，最大转速为20000r/min，加工过程选取切削液内冷方式，压力设置为20bar(1bar=0.1MPa)。低频振动产生器选取Mitis公司出产的PG8040系列振幅可调式振动刀柄，频转比为1.5osc/rev，振幅在0.0050.250mm离线可调。参考刀具厂商提供的切削参数进行刀具磨损试验，具体见表3。以目前航空工业要求的孔壁表表粗糙度值Ra≤1.6μm作为刀具寿命的评价尺度，选用表表粗糙度仪(型号:马尔PS10)对孔的出入口别离进行3次测试并取均匀值作为最终了局。选用三坐标丈量机(型号:DuraMax 5/5/5 VASTXXT)对孔的状态精度进行表征测试，为保障测试的正确性，对孔的入口侧、中部和出口侧均进行3次沉复丈量并取均匀值。

表3加工参数

2.2刀具活动轨迹分析

低频振动辅助钻削是一项在传统钻削加工的基础上,轴向增长正弦振动以实现胁迫断屑,预防切屑缠绕,利于提高孔加工质量的技术。增长低频振动后,钻头的活动轨迹与传统钻削加工迥异,两种钻削技术下主切削刃的活动轨迹如图 2所示。重要表此刻，传统钻削加工只蕴含切削速度和进给量两个加工参数,而低频振动辅助钻削技术除上述两个加工参数表,还蕴含振幅和频转比两个振动参数。低频振动辅助钻削技术中,刀具的两主切削刃活动轨迹为

式中, Z(t)是切削刃的现实轴向位移(mm),  Z_f 是由进给活动产生的轴向位移(mm),  Z_v是附加的轴向正弦振动活动产生的轴向位移(mm),f是进给量(mm/ r), A是振动振幅(mm),  ω_f 是低频振动刀柄的频转比(osc/rev), n是主轴转速(r/min)。

在钻削加工过程中,钻头的副切削刃对孔壁起到优良的建光作用,利于改善孔壁的微观不平度,从而提升孔加工质量。当选取低频振动辅助钻削技术时,钻头副切削刃的活动状态如图 3所示,能够发现增长低频振动后,副切削刃会对已加工的孔壁进行持续沉复建改,在传统钻削的基础上增长轴向正弦振动,增大了副切削刃对孔壁的建改距离,其中传统钻削加工的建改距离为现实钻削进给量,增长低频振动后的建改距离除进给量表,还蕴含振动在轴向上所能达到的距离,利于进一步提升孔加工质量。

3、钻削了局对比分析

3.1钻削力分析

(1)轴向力轴向力和扭矩信号直接反映钻削加工过程中刀具与被加工资料之间的相互作用及排屑成效，与孔加工质量亲昵有关。分歧钻削方式下加工第18个孔时的轴向力曲线如图4所示，能够显著看出，增长低频振动后轴向力的颠簸领域更大，在不变钻削阶段内轴向力的最大值和最幼值别离为1991N和14.2N。而在传统钻削前提下，不变阶段的钻削轴向力为1282N，未出现显著颠簸。这是由于低频振动辅助钻削前提下刀具无数处于空切状态，而传统钻削工艺中切削刃一向处于切削状态。

分歧钻削方式下孔加工的轴向力均值随造孔个数的变动情况如图5所示。由图5可知，在两种钻削加工方式下，轴向力随造孔个数变动根基维持不变，这是由于钻削TB6钛合金过程中，刀具表表会存在工件资料粘附而主切削刃并未出现显著磨钝的景象，与BEAL等[20]的钻研结论一致。对比两种钻削加工技术能够显著发现，增长低频振动后的钻削轴向力均值得到显著降低，其中传统钻削前提下的轴向力均值为1278N，增长低频振动后钻削轴向力均值为1034N，降低了约19.1%。因低频振动辅助钻削的振动个性，故钻头与被加工资料之间存在周期性的接触和分离，分离阶段时钻头处于空载状态，且在该阶段切削加工的冷却和光滑成效得到加强，从而利于降低钻削的均匀轴向力。

(2)扭矩当排屑过程中产生堵屑时，切屑与已加工孔壁出现严沉刮擦，易导致钻削扭矩增大，通过扭矩变动曲线可有效表征现实排屑情况[17]。图6为分歧钻削方式下加工第18个孔时的扭矩曲线。由图6a可知，传统钻削加工前提下，扭矩信号存在较大颠簸，且在约150s处出现显著的堵屑景象;图6b标注的几处地位固然存在扭矩值突变景象，但持续功夫短暂，即便增长低频振动，在排屑过程中也会偶然存在排屑不畅景象。对比两图发现，图6b的扭矩信号整体相对平缓，展示出低频振动辅助钻削技术在排屑方面的优势。

图7展示了分歧加工方式以及加工18个孔前后的扭矩均值变动情况
Ｄ芄环⑾，与低频振动辅助钻削技术相比，传统钻削前提下的扭矩均值随造孔个数增长存在显著的颠簸，分歧孔加工过程中刀具的受力和排屑状态存在显著差距，孔加工质量不变性较差。具体而言，传统钻削前提下扭矩均值处于2.4~3.0N·m，颠簸幅度20%，而增长低频振动后，随着造孔个数增长，扭矩均值显著不变，颠簸幅度12.2%。此表，增长低频振动后，钻削扭矩均值约降低22.2%，归因于在钻削加工周期中存在空载阶段且产生碎化的扇形悄谛凶于排屑，周期性抬刀利于提升冷却、光滑和排屑成效，扭矩均值得到显著降低。

3.2刀具磨损分析

刀具磨损是切削加工中不成预防的景象，反映了切削加工过程中刀具与工件接触面的摩擦学个性，是评价刀具寿命和切削机能的沉要指标[21]。对TB6钛合金进行传统钻削和低频振动辅助钻削加工第4和第18个孔后钻头的磨损描摹见表4。在传统钻削前提下，造孔个数由4个增长至18个，钻头横刃和刃带的资料粘附景象以及后导氧化景象愈加显著，钻削加工18个孔后，刀具的横扔注后导、前导和刃带均存在大量的资料粘附，归因于TB6较高的化学活性，易与刀具资料产生反映，且由高温加工而导致的刀具表表氧化景象显著存在于刀具后导。

YANG等[22]也批注钛合金的热导率低，导致钻削加工过程中出现显著的部门高温，且钛合金的弹性模量较低，导致刀具后导易与已加工资料表表产生挤压摩擦，钻头后导氧化磨损显著[23]。而增长低频振动后，在钻削第4和第18个孔后，钻头的磨损状态根基维持一致。与传统钻削相比，加工18个孔后钻头表表的粘附景象显著降低，且刀具后导并未发现显著的氧化磨损，这归因于增长低频振动后切屑碎化，利于携带大量切削热的切屑沿排屑槽排出，有效预防了切削热大量堆集。

3.3表表粗糙度分析

对TB6钛合金别离进行传统钻削和低频振动辅助钻削，所获得18个孔的表表粗糙度值Ra的统计了局如图8所示。传统钻削和低频振动辅助钻削前提下，孔的表表粗糙度值Ra别离处于1.35~1.69μm和1.00~1.27μm，增长低频振动后孔的表表质量得到显著改善，这归因于资料的去除方式由陆续去除转变为周期性去除，扭矩均值降低且扭矩信号趋于不变，批注断/排屑成效得到显著改善，从而降低炽热陆续型切屑对孔壁的刮擦。此表，传统钻削前提下粘刀景象严沉，易刮擦和挤压孔壁，导致表表相对粗糙。当传统钻削至第17个孔时，孔壁表表粗糙度值Ra达到1.69μm，已不能满足Ra≤1.6μm的工程要求。

3.4孔尺寸和状态精度分析

(1)直径孔径是表征孔尺寸精度的沉要指标，直接影响现实部件的装配成效，分歧造孔方式下孔径随造孔数量的变动情况如图9所示。由图9可见，增长低频振动后获得的孔径均大于传统钻削加工，其中低频振动辅助钻削工艺下获得孔直径处于10.002~10.005mm，传统钻削加工前提下获得的孔径则处于9.991~9.996mm。CHEN等[24]钻研批注，在传统钻削前提下，孔加工的表表特点重要是由于切削刃的耕犁作用而产生的进给痕迹，增长低频振动后，钻头每进行一次资料去除均会进行刀具回退，并伴有旋转活动，对因进给而在孔壁遗留的资料进一步去除，故孔径整体偏高。此表，能够发此刻增长低频振动后，轴向力和扭矩值均出现显著降低，利于提升钻削加工的不变性，孔径误差集中在更幼领域内，一致性得到提升。在两种加工方式下，随造孔个数逐步增长至18个，孔径未出现显著降低趋向，这是由于刀具表缘转角地位未出现显著磨损景象。

(2)圆度圆度是衡量孔加工质量的一项沉要凭据，在传统钻削和低频振动辅助钻削前提下，孔的圆度随造孔数量的变动情况如图10所示。其中，传统钻削加工获得的孔圆度颠簸较大，处于0.007~0.014mm，而增长低频振动后，孔圆度阐发更为荟萃且均低于传统钻削加工，处于0.002~0.005mm，这是由于增长低频振动后，刀具在轴向周期性活动的同时随主轴做回转活动，可能去除孔表表的纹理及凸起，从而提升圆度水平。且传统钻削加工后，刀具的横刃部门存在大量工件资料粘附，易导致钻尖放心不稳，加之排屑过程中出现堵屑景象[25]，此表，钻削力较高容易引发刀具振动和变形，均会造成更大的圆度误差[26]。

(3)圆柱度圆柱度是反映孔加工精度的另一个沉要指标，其随造孔个数的变动法规如图11所示。由图11可知，与低频振动辅助钻削加工相比，传统钻削加工获得孔的圆柱度误差显著更高，这是由于在TB6传统钻削加工的过程中，轴向力高于低频振动辅助钻削加工，且如3.1和3.2节所述，传统钻削加工前提下会出现严沉的堵屑情况，切屑与孔壁之间产生剧烈摩擦，均不利于钻削加工不变性的提升，从而导致较低的孔状态精度，这与AMINI等[27]的钻研了局一致，钻削过程中增长振动会大幅提升孔加工的不变性和加工精度。通过增长低频振动对TB6陆续钻削18个孔，发现孔的圆柱度得到显著改善，均处于0.004~0.008mm。此表，低频振动辅助钻削时，刀具在轴向周期性回退的同时对孔状态也在肯定水平上进行建改，利于改善圆柱度。

4、实现语

本文针对TB6钛合金进行了传统钻削和低频振动辅助钻削加工，对比了两种钻削方式下刀具的磨损大局，系统分析了孔的轴向力、扭矩、孔壁表表粗糙度和孔状态精度随造孔数量的变动趋向，具体结论如下。

1)选取低频振动辅助钻削方式造孔，轴向力和扭矩均在肯定水平上出现降低，钻削至第18个孔时辰别降低了19.1%和22.2%。扭矩曲线安稳，排屑状态优良。

2)针对TB6钛合金两种钻削加工方式阐发出的刀具磨损大局存在差距。传统钻削加工前提下，刀具首先阐发出粘着磨损，随着造孔数量增长，资料粘附愈加严沉，且在后导阐发出氧化磨损。而在低频振动钻削加工前提下，刀具出现轻微资料粘着磨损且随造孔数量增长，刀具的磨损情况根基维持不变。

3)低频振动辅助钻削技术具备优良的断屑和散热的优势，极大地预防了切屑和刀具表表的资料粘附对孔壁的刮擦景象，从而有效提高了孔壁表表质量，表表粗糙度值Ra处于1.00~1.27μm。

4)与传统钻削相比，增长低频振动后所获得孔的直径尺寸更集中,均处于10.002~10.005mm,孔的圆度和圆柱度别离处于0.002~0.005mm和0.004~0.008mm，孔的状态精度更优。

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（注，原文标题：TB6钛合金分歧钻削方式刀具磨损及孔加工质量对比）