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微织构内冷麻花钻高速钻削Ti6Al4V的试验研究

郭大林  
【摘要】:高速切削已成为机械制造业的主流发展方向,但严重的刀具磨损仍然是高速切削技术进步的主要瓶颈。内冷麻花钻良好的冷却润滑效果在钛合金等难加工材料的高速钻削方面有着巨大的应用潜力,而表面织构在控制摩擦、减小磨损和改善润滑性能等方面的优异表现,使得微织构内冷麻花钻的研究应用成为了可能。本课题从刀-工、刀-屑接触区减摩降温的角度出发,提出在内冷麻花钻的前、后刀面设计制作沟槽型表面微织构,结合内冷却润滑技术,通过有限元仿真分析和试验研究等手段探索微织构内冷麻花钻高速钻削Ti6Al4V的切削性能以及磨损机理,为钛合金的高速钻削加工提出新的思路。主要研究内容如下:首先,利用Deform-3D对前刀面上4种不同类型的微织构普通麻花钻(NT、TFP、TFV、TFK)的钻削过程进行了仿真,对比分析了不同刀具的钻削力、钻削温度和钻头磨损深度,仿真结果表明:TFP型刀具的综合性能最好,与NT型刀具对比,其平均钻削力、最高温度和前刀面最大磨损深度依次降低了4.22%、4.31%、和46.82%;基于此,在麻花钻后刀面上建立了相同的微织构,仿真分析了TBP型微织构麻花钻的钻削性能,结果表明:与NT型刀具对比,TBP型刀具的平均钻削力、最高温度和前刀面最大磨损深度依次降低了9.93%、3.14%和38.11%;依据仿真结果,利用激光打标机在YG6硬质合金内冷麻花钻的前刀面、后刀面以及前后刀面上加工出平行于主切削刃的沟槽型微织构,制备出TF、TB、TFB 3种试验用微织构内冷麻花钻。其次,通过预钻削试验,确定了Ti6Al4V的高速钻削试验合理的切削用量,对NT、TF、TB、TFB刀具在高速试验条件下的钻削力、刀具耐用度、钻屑形态以及孔壁表面粗糙度进行了试验研究,并对不同位置的微织构对刀具切削性能的作用机理进行了分析。研究表明:在高速钻削(V=62.8 m/min)时,微织构内冷麻花钻TF、TB和TFB的钻削力降低,刀具耐用度提升,孔的表面粗糙度有所增加,但符合半精加工要求;前刀面上的微织构(TF、TFB)对切削卷曲程度的影响显著,切屑螺旋间距明显降低,卷曲程度大幅增加,刀具缠屑现象消失,断屑能力提高;后刀面上的微织构(TB、TFB)在内冷却条件下,冷却润滑效果提高,切削力下降更加明显。最后,对NT、TF、TB刀具的前刀面、后刀面、横刃以及副切削刃的磨损形态进行了对比分析,并对刀具的磨损机理进行了研究。结果表明:内冷却麻花钻高速钻削Ti6Al4V时,刀具的破损形式主要表现为主切削刃和副切削刃崩刃,刀具材料粘结脱落,横刃产生积屑瘤,刃带受机械冲击崩碎脱落等;刀具的磨损以前刀面磨损为主,磨损机理主要是粘结磨损和磨粒磨损,氧化磨损和扩散磨损比较轻微;前刀面置入微织构,一方面使得微织构区域内接触表面的原子间距增大,另一方面有助于冷却液渗入紧密接触区,能够显著降低粘结磨损,从而减轻前刀面粘结剥落,改善主切削刃、副切削刃的崩刃以及刃带崩碎情况;同时,微织构可以捕捉磨粒,改善前刀面上的磨粒磨损;后刀面由于靠近内冷却孔,刀具表面粘结现象相较于前刀面比较轻微,但仍然以粘结磨损为主,后刀面置入微织构,能够改善后刀面的粘结现象,使冷却液抵达横刃,减轻积屑瘤。


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