面向航空装配的TB6钛合金高质量制孔技术：低频振动辅助钻削工艺优化，通过周期性刀-屑分离实现稳定排屑与降温减摩，显著提升孔径一致性圆度与圆柱度，为高强钛合金高效制孔提供依据

1、序言

TB6钛合金具备高强度、低密度和强耐蚀性等优点，在飞机机身、机翼和起落架结构中用该材料可替代等强度的20CrMnSiA和TC4材料，结构质量可分别降低40%和20%，目前已广泛应用于直升机旋翼系统的承载结构中，在航空航天领域占据重要地位[1,2]。由于螺栓联接和铆接是飞机装配中最常用的部件连接方式，因此装配孔的制备成为飞机装配的重要任务之一3。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困难、切削温度高以及工件材料在刀具表面粘附严重等问题，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。

为提高钛合金制孔质量,学者们已提出多种解决方式并取得了一定成效，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行之有效的加工策略，可以在保证孔加工质量的同时提高加工效率，成为制孔领域的研究热点。

低频振动辅助钻削技术在运动学上实现了强制性断屑，降低钻削温度，避免锋利的连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叠层材料进行了钻削试验，发现添加低频振动后，钻削加工的扭矩和轴向力与传统钻削相比分别降低了25%和45%，且添加低频振动后刀具表面的材料粘附现象明显降低，与传统钻削相比，后刀面的磨损带宽度减少了75%，归因于良好的断屑和散热效果。PECAT等  [13,14]对低频振动辅助钻削技术的散热效果进行了着重论述与分析，通过试验对比发现，添加低频振动后钛合金的钻削温度由173℃降至98℃，下降了43%。李文杰  [15]采用枪钻对TC4进行钻削加工，对比发现低频振动辅助钻削加工展现出明显的优势，具体表现为在相等加工效率下，添加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现象。王福吉等[16]分别采用麻花钻和阶梯钻对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良好的断屑和散热效果。杨浩骏[17]也对CFRP/TC4叠层材料进行了钻削加工试验，添加低频振动后，TC4层的圆柱度得到了明显提升，而孔径尺寸大小则与传统钻削获得的尺寸类似。上述学者已通过试验表明:添加低频振动后断屑效果会得到有效提升，利于降低钻削加工温度、减轻刀具表面的工件材料粘附，是一种行之有效的孔加工方式。孔的形状精度决定实际装配的质量，目前对其系统地研究仍十分有限。

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钛合金材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，对比开展低频振动辅助钻削和传统钻削TB6的试验，分析随制孔数量不断增加对刀具磨损状况、钻削轴向力、扭矩、表面粗糙度、孔径和形状精度的影响规律，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运动轨迹分析

2.1试验平台搭建

钛合金TB6的化学成分  [18]和力学性能分别见表1和表2，因其V含量较多为10.5%，故表现出较高的材料化学活性，易与刀具发生化学反应。因材料具备较高的硬度和强度，故选用高切削性能的AlTiN

表2 TB6钛合金的力学性能

试验工装及刀具如图1所示，采用三轴数控加工中心DMG MORI CMX 1100Vc开展钻削试验，最大转速为20000r/min，加工过程采用切削液内冷方式，压力设置为20bar(1bar=0.1MPa)。低频振动发生器采用Mitis公司生产的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面粗糙度值Ra≤1.6μm作为刀具寿命的评判标准，选用表面粗糙度仪(型号:马尔PS10)对孔的出入口分别进行3次测试并取平均值作为最终结果。选用三坐标测量机(型号:DuraMax 5/5/5 VASTXXT)对孔的形状精度进行表征测试，为保证测试的准确性，对孔的入口侧、中部和出口侧均进行3次重复测量并取平均值。

表3加工参数

2.2刀具运动轨迹分析

低频振动辅助钻削是一项在传统钻削加工的基础上,轴向添加正弦振动以实现强迫断屑,避免切屑缠绕,利于提高孔加工质量的技术。添加低频振动后,钻头的运动轨迹与传统钻削加工迥异,两种钻削技术下主切削刃的运动轨迹如图 2所示。主要表现在，传统钻削加工只包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外,还包含振幅和频转比两个振动参数。低频振动辅助钻削技术中,刀具的两主切削刃运动轨迹为

式中, Z(t)是切削刃的实际轴向位移(mm),  Z_f 是由进给运动产生的轴向位移(mm),  Z_v是附加的轴向正弦振动运动产生的轴向位移(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良好的修光作用,利于改善孔壁的微观不平度,从而提升孔加工质量。当采用低频振动辅助钻削技术时,钻头副切削刃的运动状态如图 3所示,可以发现添加低频振动后,副切削刃会对已加工的孔壁进行持续重复修正,在传统钻削的基础上添加轴向正弦振动,增大了副切削刃对孔壁的修正距离,其中传统钻削加工的修正距离为实际钻削进给量,添加低频振动后的修正距离除进给量外,还包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、钻削结果对比分析

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材料之间的相互作用及排屑效果，与孔加工质量密切相关。不同钻削方式下加工第18个孔时的轴向力曲线如图4所示，可以明显看出，添加低频振动后轴向力的波动范围更大，在稳定钻削阶段内轴向力的最大值和最小值分别为1991N和14.2N。而在传统钻削条件下，稳定阶段的钻削轴向力为1282N，未出现明显波动。这是由于低频振动辅助钻削条件下刀具多数处于空切状态，而传统钻削工艺中切削刃一直处于切削状态。

不同钻削方式下孔加工的轴向力均值随制孔个数的变化情况如图5所示。由图5可知，在两种钻削加工方式下，轴向力随制孔个数变化基本保持不变，这是由于钻削TB6钛合金过程中，刀具表面会存在工件材料粘附而主切削刃并未出现明显磨钝的现象，与BEAL等[20]的研究结论一致。对比两种钻削加工技术可以明显发现，添加低频振动后的钻削轴向力均值得到明显降低，其中传统钻削条件下的轴向力均值为1278N，添加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特性，故钻头与被加工材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润滑效果得到增强，从而利于降低钻削的平均轴向力。

(2)扭矩当排屑过程中发生堵屑时，切屑与已加工孔壁出现严重刮擦，易导致钻削扭矩增大，通过扭矩变化曲线可有效表征实际排屑状况[17]。图6为不同钻削方式下加工第18个孔时的扭矩曲线。由图6a可知，传统钻削加工条件下，扭矩信号存在较大波动，且在约150s处出现明显的堵屑现象;图6b标注的几处位置虽然存在扭矩值突变现象，但持续时间短暂，即使添加低频振动，在排屑过程中也会偶尔存在排屑不畅现象。对比两图发现，图6b的扭矩信号整体相对平缓，展现出低频振动辅助钻削技术在排屑方面的优势。

图7展示了不同加工方式以及加工18个孔前后的扭矩均值变化情况。可以发现，与低频振动辅助钻削技术相比，传统钻削条件下的扭矩均值随制孔个数增加存在明显的波动，不同孔加工过程中刀具的受力和排屑状态存在明显差异，孔加工质量稳定性较差。具体而言，传统钻削条件下扭矩均值处于2.4~3.0N·m，波动幅度20%，而添加低频振动后，随着制孔个数增加，扭矩均值明显稳定，波动幅度12.2%。此外，添加低频振动后，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切屑易于排屑，周期性抬刀利于提升冷却、润滑和排屑效果，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可避免的现象，反映了切削加工过程中刀具与工件接触面的摩擦学特性，是评价刀具寿命和切削性能的重要指标[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个孔后钻头的磨损形貌见表4。在传统钻削条件下，制孔个数由4个增加至18个，钻头横刃和刃带的材料粘附现象以及后刀面氧化现象愈加明显，钻削加工18个孔后，刀具的横刃、后刀面、前刀面和刃带均存在大量的材料粘附，归因于TB6较高的化学活性，易与刀具材料发生反应，且由高温加工而导致的刀具表面氧化现象明显存在于刀具后刀面。

YANG等[22]也表明钛合金的热导率低，导致钻削加工过程中出现明显的局部高温，且钛合金的弹性模量较低，导致刀具后刀面易与已加工材料表面发生挤压摩擦，钻头后刀面氧化磨损明显[23]。而添加低频振动后，在钻削第4和第18个孔后，钻头的磨损状态基本保持一致。与传统钻削相比，加工18个孔后钻头表面的粘附现象明显降低，且刀具后刀面并未发现明显的氧化磨损，这归因于添加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，有效避免了切削热大量积累。

3.3表面粗糙度分析

对TB6钛合金分别进行传统钻削和低频振动辅助钻削，所获得18个孔的表面粗糙度值Ra的统计结果如图8所示。传统钻削和低频振动辅助钻削条件下，孔的表面粗糙度值Ra分别处于1.35~1.69μm和1.00~1.27μm，添加低频振动后孔的表面质量得到明显改善，这归因于材料的去除方式由连续去除转变为周期性去除，扭矩均值降低且扭矩信号趋于稳定，表明断/排屑效果得到明显改善，从而降低炽热连续型切屑对孔壁的刮擦。此外，传统钻削条件下粘刀现象严重，易刮擦和挤压孔壁，导致表面相对粗糙。当传统钻削至第17个孔时，孔壁表面粗糙度值Ra达到1.69μm，已不能满足Ra≤1.6μm的工程要求。

3.4孔尺寸和形状精度分析

(1)直径孔径是表征孔尺寸精度的重要指标，直接影响实际部件的装配效果，不同制孔方式下孔径随制孔数量的变化情况如图9所示。由图9可见，添加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，传统钻削加工条件下获得的孔径则处于9.991~9.996mm。CHEN等[24]研究表明，在传统钻削条件下，孔加工的表面特征主要是由于切削刃的耕犁作用而产生的进给痕迹，添加低频振动后，钻头每进行一次材料去除均会进行刀具回退，并伴有旋转运动，对因进给而在孔壁遗留的材料进一步去除，故孔径整体偏高。此外，可以发现在添加低频振动后，轴向力和扭矩值均出现明显降低，利于提升钻削加工的稳定性，孔径偏差集中在更小范围内，一致性得到提升。在两种加工方式下，随制孔个数逐渐增加至18个，孔径未出现明显降低趋势，这是由于刀具外缘转角位置未出现明显磨损现象。

(2)圆度圆度是衡量孔加工质量的一项重要依据，在传统钻削和低频振动辅助钻削条件下，孔的圆度随制孔数量的变化情况如图10所示。其中，传统钻削加工获得的孔圆度波动较大，处于0.007~0.014mm，而添加低频振动后，孔圆度表现更为聚集且均低于传统钻削加工，处于0.002~0.005mm，这是由于添加低频振动后，刀具在轴向周期性运动的同时随主轴做回转运动，能够去除孔表面的纹理及凸起，从而提升圆度水平。且传统钻削加工后，刀具的横刃部分存在大量工件材料粘附，易导致钻尖定心不稳，加之排屑过程中出现堵屑现象[25]，此外，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偏差[26]。

(3)圆柱度圆柱度是反映孔加工精度的另一个重要指标，其随制孔个数的变化规律如图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偏差明显更高，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，传统钻削加工条件下会出现严重的堵屑状况，切屑与孔壁之间产生剧烈摩擦，均不利于钻削加工稳定性的提升，从而导致较低的孔形状精度，这与AMINI等[27]的研究结果一致，钻削过程中添加振动会大幅提升孔加工的稳定性和加工精度。通过添加低频振动对TB6连续钻削18个孔，发现孔的圆柱度得到明显改善，均处于0.004~0.008mm。此外，低频振动辅助钻削时，刀具在轴向周期性回退的同时对孔形状也在一定程度上进行修正，利于改善圆柱度。

4、结束语

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形式，系统分析了孔的轴向力、扭矩、孔壁表面粗糙度和孔形状精度随制孔数量的变化趋势，具体结论如下。

1)采用低频振动辅助钻削方式制孔，轴向力和扭矩均在一定程度上出现降低，钻削至第18个孔时分别降低了19.1%和22.2%。扭矩曲线平稳，排屑状态良好。

2)针对TB6钛合金两种钻削加工方式表现出的刀具磨损形式存在差异。传统钻削加工条件下，刀具首先表现出粘着磨损，随着制孔数量增加，材料粘附愈加严重，且在后刀面表现出氧化磨损。而在低频振动钻削加工条件下，刀具出现轻微材料粘着磨损且随制孔数量增加，刀具的磨损状况基本保持不变。

3)低频振动辅助钻削技术具备良好的断屑和散热的优势，极大地避免了切屑和刀具表面的材料粘附对孔壁的刮擦现象，从而有效提高了孔壁表面质量，表面粗糙度值Ra处于1.00~1.27μm。

4)与传统钻削相比，添加低频振动后所获得孔的直径尺寸更集中,均处于10.002~10.005mm,孔的圆度和圆柱度分别处于0.002~0.005mm和0.004~0.008mm，孔的形状精度更优。

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（注，原文标题：TB6钛合金不同钻削方式刀具磨损及孔加工质量对比）