1 引言

隨著我國醫療器械、航空航天、航海（hǎi）勘測和（hé）石油化（huà）工（gōng）等重要領域迅（xùn）速發展，對其應用零件製造材料的耐用（yòng）性和力學性能的（de）要求不斷提（tí）高，因此，尋找合適的加工材料已迫在眉睫。鈦合金材料（liào）因其具有質量輕、強度高、耐腐（fǔ）蝕和抗斷（duàn）裂性能好等優異性能，被（bèi）認為是金屬材料應用（yòng）領域中正在崛起的“第三金屬（shǔ）”、“智能金屬”，並且（qiě）也是（shì）重（chóng）要（yào）的（de）戰略金（jīn）屬材料，廣泛應（yīng）用於（yú）機械（xiè）加工領域，如航空發動機（jī）、機身部件等重要部位。

在鈦合金（jīn）結構件的裝配（pèi）和緊固等工藝條件下，需要提前（qián）進行鑽削和銑削等機械加工。其中，鑽削工序占重要比例。在鑽削加工鈦合金的過程中，由於軸向力大且溫度高，導致鑽孔出（chū）口產生不同形狀和高度的毛刺，嚴重影響裝配（pèi）質量和（hé）服役性能。大（dà）量研究結果表明，毛刺的後處（chù）理工序嚴重增加了鈦合金的加工成本（běn）。因此，分析（xī）鈦（tài）合金（jīn）鑽削加工出（chū）口毛刺的形成（chéng）機理，探究鈦合金鑽削出（chū）口毛刺缺陷的控製方法，對於鈦合金在精密機（jī）械零件領域的應（yīng）用有重要意（yì）義。

本（běn）文針對鈦合金（jīn）鑽（zuàn）削加工中出口毛刺缺陷問題，從毛刺類型、形成機理和控製策略三個方麵（miàn）進行綜述，為鈦（tài）合金鑽削（xuē）加工（gōng）出（chū）口毛刺缺陷研究提供參考。

2 鈦合金鑽削出口毛（máo）刺類型（xíng）

鈦合金鑽削加（jiā）工時，刀具的切削刃與（yǔ）工件發生擠壓和剪切作用，使（shǐ）材料發生（shēng）塑性變形、彎曲和撕裂。一部分材料隨著（zhe）刀具的剪切作用沿運動方向被帶離工件表麵，另一部分殘餘（yú）材料（liào）留在工件出口表麵形成出口毛（máo）刺。在鑽（zuàn）削加工時，受切削參數和刀具結構的影響，會產（chǎn）生形狀、大小不同的毛刺。因此，開展不同類型的毛刺歸類整理分析，可為不同（tóng）類型的（de）出口（kǒu）毛（máo）刺形成（chéng）機理提供一定的研究基礎。

駱彬等分析（xī）了工件剛度對鑽（zuàn）削鈦合金出口（kǒu）毛刺的影響（xiǎng），研究表明：隨著工（gōng）件剛度的增加出口毛（máo）刺厚度增加、高度減小，且出（chū）口毛刺類型從冠狀變為均勻狀（zhuàng）。Kim D.等（děng）進行了變（biàn）參數鑽削（xuē）鈦（tài）合金試驗，通過出（chū）口圖像分析認為出口（kǒu）毛刺主要有三類（lèi）：均勻毛刺、帶鑽帽撕裂的均勻毛刺和冠狀毛刺。Dornfeld D.A.等通過（guò）研究刀具的幾何形狀，在有無切削液條件下進行鑽削鈦合金對（duì）比試驗，將幹式鑽削鈦合金出口毛刺分為均勻毛刺和回卷型毛刺（cì），且兩（liǎng）類均帶有鑽帽；將有切削液的（de）鑽削出口毛刺分為無任何附著物的標準均勻毛刺、帶鑽蓋（gài）的毛刺和環形毛刺。Kim D.等（děng）采用含鈷類高速鋼（gāng）和（hé）硬質合金兩種不同材料的刀具進行鑽削鈦合金試驗，得出在低（dī）轉速（sù）條件下，低進給量的（de）硬質合金鑽頭、高進給量的（de）高（gāo）速鋼鑽（zuàn）頭易產生均勻且細小的出口毛刺，反之則產（chǎn）生冠狀型（xíng）出口毛刺。Zhu Z.等針對鈦合金（jīn）鑽孔性能從鑽孔點和（hé）孔出口邊緣的應力來確定斷裂位置，從而歸類出三種出（chū）口毛刺：均（jun1）勻毛刺、帶鑽帽的均（jun1）勻毛刺和冠狀毛刺。Feldshtein E.在鈦合金（jīn）板上鑽孔時發現，出口毛刺的形狀有均勻毛刺、冠狀毛刺、鑽帽撕裂的均勻毛刺和花瓣（bàn）形均勻毛刺。

通過上述分析可知，鈦合金鑽削出口（kǒu）毛刺主要分為三類：均勻毛（máo）刺、帶鑽帽的均勻毛（máo）刺和冠狀毛（máo）刺，其形貌見圖1。由於鈦（tài）合金材料硬度高、導熱性差，導致加工時產生的出口毛刺形狀複雜（zá）。目前，針（zhēn）對鈦（tài）合金出（chū）口毛刺類型的分類還未有統一的標準。

圖1 鈦合金鑽削出口毛刺（cì）分類

3 鈦合金鑽削出口毛刺形（xíng）成機理

在鈦（tài）合金（jīn）鑽削出（chū）口毛刺類型研究的（de）基礎上，分析出口毛刺的形成機理是實現有效（xiào）控製的（de）必要條件。目前，針對鑽削鈦合金出（chū）口毛刺的研究，很多研究者主要通過有限元仿真觀察以及鑽削出口毛刺理論建模與鑽孔圖像分析相結合的方式來進行鈦合金鑽削出口毛刺形成（chéng）機理的研究。

Franczyk E.等基於刀（dāo）具（jù）的幾何角度和切削參數建立了鈦合金鑽削出口毛刺形成的仿真模型。結果發現：出口毛刺主要在垂直於切削刃上方、接近鑽頭外徑（jìng）處（chù）產生。切削加工（gōng）時，孔底材料發生塑性變形，因不能被及時切除而形成出口（kǒu）毛刺。Zhe L.等針對旋轉超聲輔助鑽削鈦合金材料（liào）的出口毛刺缺陷開展試驗研究，並建立了出口毛刺形成過程的理論模型。試驗結（jié）果（guǒ）表明（míng），隨（suí）著鑽頭的切出，孔出口（kǒu）大部分材料被刀尖橫刃和切削刃切除，剩餘的小部分（fèn）材料最終形成出口毛刺。Lauderbaugh L.K.等采用模擬與試驗相結合的方（fāng）法分析了出口毛刺的形成機理，認為毛刺的形成分為（wéi）兩種情況：鑽頭頂部材料被完整推（tuī）出形成均勻細小毛刺和鑽頭頂部材料提前撕裂形成不規則冠狀毛刺。李哲等認為鈦（tài）合金出口毛刺形成（chéng）過程分為以下6步：①正常穩（wěn）定鑽削出口的臨（lín）界狀態；②孔出口處孔底殘餘材料開始（shǐ）塑性（xìng）變形且被頂（dǐng）出超過孔出口邊緣；③出口頂出的殘餘材料（liào）出現較大塑性變形；④材料發生拉伸斷裂；⑤隨著鑽頭（tóu）向下使裂紋擴展；⑥當鑽頭橫刃、主切削（xuē）刃和副切削刃都完全超（chāo）出孔出口邊緣時最終（zhōng）形成出口毛（máo）刺。

圖（tú）2為鑽削（xuē）出口殘餘材料變形及毛刺形成。綜上所（suǒ）述，出口毛刺的形狀主要取決於切削材料的（de）撕裂位置（zhì）和切削刃對殘餘材料的切除效（xiào）率。沿孔邊緣撕（sī）裂且（qiě）切削效率高，則產生帶鑽帽的（de）均勻毛刺；沿鑽頭中心撕裂且對殘（cán）餘材料切（qiē）除效率較低，則產（chǎn）生（shēng）形狀不規則的冠狀毛刺。此外，在圍繞出口毛刺形成機理的有限元（yuán）仿真研究中，建立的刀（dāo）具模型具有一定的局限性，且建模過程忽略了刀具磨損和（hé）鑽削溫度對加工的影（yǐng）響，因此仿真模型缺乏準確性。

圖2 鑽（zuàn）削出口殘餘材料切削變形及毛刺（cì）形（xíng）成

4 鈦合金鑽削出（chū）口毛刺控製（zhì）策略

通過（guò）上述有關鈦合金鑽削出口毛刺類型和形成機理的討論分析可知，切削參數、加工工藝和刀具結構是影響（xiǎng）加工過程中的軸（zhóu）向力和材料塑性變形的（de）主要因素（sù），而（ér）軸向力和材料的塑性變形則對出口毛刺（cì）的形狀（zhuàng）和高度具有一定影響。因此，開展鈦合金鑽削出口毛刺控製的研究，可以從優化加工參數、刀具結構以及改善加工工藝的角度進行考慮。

4.1 切削參數優化

在鈦合金鑽削加工中，選擇合理（lǐ）的切削（xuē）參數可以有效控（kòng）製軸向力、扭矩和切削溫度對加（jiā）工過程的影響，有助（zhù）於提升孔的質量，降低毛刺高度和減小刀（dāo）具磨損。因此，通過優化切削參數（shù），在鑽削過程中降低或消（xiāo）除出口毛（máo）刺的形成對實際生產加工成本的控製有重要意義。

通過正交試驗（yàn）或單因素切削試驗的（de）方法對鑽削鈦合金的切削參數進行優化。Prabukarthi A.等（děng）利用多目標加權法優化加工參數得出，在鑽削鈦合金時，降低出口（kǒu）毛刺的最優參數組合（hé）為主軸轉（zhuǎn）速1000 r/min，進給量0.13 mm/r。Abdelhafeez A.M.等通過正交試（shì）驗對鈦（tài）合金鑽削進行參數（shù）優化，並通過二階回歸模型進行驗證。結果表明，出口毛刺（cì）高度與切削參數呈高度非線（xiàn）性關（guān）係，並且在進給量為0.14mm/r，切削速度為（wéi）30m/min時，出口毛刺高度最小。Bi S.等利（lì）用多目（mù）標參數優化算法對切削參數進（jìn）行優化，分析了在進給速度和主軸轉（zhuǎn）速的相互作用下，切削區溫度和應（yīng）變（biàn）速率（lǜ）的變化（huà）和對材料強度和塑性的影響，並通過（guò）多目標優化得到最（zuì）佳（jiā）參數組（zǔ）合為主（zhǔ）軸轉速2000r/min，進給量0.075mm/r。Feldshtein E.和Shetty P.K.等分別采用單因素（sù）試（shì）驗法和田口L9正交列陣法對鈦合（hé）金鑽削試驗進行參數（shù）優化（huà），結果表明，使用高轉（zhuǎn）速和低進給量的參數組合有助於降低出口毛刺高度。Isbilir O.等和Parida A.K.等利用有限元仿真模擬技（jì）術（shù），對鑽削（xuē）加工鈦合金出口毛刺的加工參數進行優化，並通過試（shì）驗對優化後（hòu）的鑽削參數進行驗證，仿真結果表明，參數（shù）優化後（hòu）的出口毛刺高度下（xià）降50%～75%。

4.2 刀（dāo）具結構優化

在鈦合（hé）金鑽削加工中，因過大的刀具頂角和過長的切削刃等刀具結構（gòu）問題，易（yì）使加工時溫度驟升，並且在加（jiā）工區域產生高溫，造成刀具（jù）粘結與（yǔ）嚴重的刀具磨損，從而導致在鈦合金鑽削加工時（shí）孔的出口毛刺高度增加。因此，針對刀具結構的優化，有助於減小毛刺尺（chǐ）寸和提升孔的精度和表麵質量。

Li C.P.等采用不（bú）同材料（liào）和結構（gòu）類型的鑽頭進行鈦合金鑽削試驗，結果表明，相比於麻花鑽，螺旋鑽因具有推力（lì）小（xiǎo）、鑽頭長度短和頂角大等特點，鑽頭在離開工件時（shí），切削刃能夠將（jiāng）出口周（zhōu）邊的材料有效切除，因此出口毛刺細小且均勻。Kim J.等（děng）在鑽削（xuē）鈦合金（jīn）材（cái）料時發現，鑽尖角的增大有助於減小出口毛刺的厚度和高度，而螺旋（xuán）角的增大會導致（zhì）出口毛（máo）刺尺寸的增（zēng）加。李哲等采用了一種八麵鑽新刃型刀具，八麵鑽減（jiǎn）小了橫刃寬度（dù）、主切削刃長度和主後刀麵（miàn）寬度，增加了第二後刀麵，並且頂角從118°減至90°，從而減小了主後刀麵長度，因此在鑽削鈦合金時比普通麻花鑽更易鑽入（rù），有效降低了（le）出口（kǒu）毛刺高度。Wei L.等研究了采用階梯鑽和雙錐鑽（見圖3）鑽削（xuē）加工鈦合金材料的（de）情況，仿（fǎng）真試驗對（duì）比結果（guǒ）表明（míng），階梯鑽產生的推力較大，導致溫度過高，增加了材料的延展性，使其產生的出口毛刺大於雙錐鑽。

圖（tú）3 階梯鑽和雙錐麵鑽

通過上述分析可知，優化刀具結構（gòu）可有效抑製鈦合金鑽削出口毛刺（cì）的產生。此外，在鑽頭（tóu）出口位置（zhì）切削刃能否有效切除材（cái）料以及出（chū）口位置的（de）溫度是影響出口毛刺大小和形狀的主要因素。因此，針對鈦合金（jīn）材料硬度高（gāo）和導熱性低的特性，設計新型刀具刃口形狀和開發適合加工鈦合金的（de）刀（dāo）具材料，仍是提升（shēng）鈦（tài）合金實際應用價值的關鍵。

4.3 加工工藝優選

針對傳統加工工藝（yì）出口毛刺尺寸（cùn）較大、去除困難等問題，國（guó）內外學者通過改變加工工藝的方法來減少或者消除毛刺（cì），並主要開展了超聲振動（dòng）、旋轉超聲輔（fǔ）助和（hé）低溫鑽削（xuē）等鑽削鈦（tài）合（hé）金試驗研究。Zhang P.F.等通過對比傳統鑽削和超聲振動輔助鑽（zuàn）削試驗得出（chū）以下結論：由於（yú）超聲振動輔助鑽（zuàn）削（xuē）能夠有效降（jiàng）低工件溫度，抑製材料延展性的增（zēng）加（jiā），使鈦合金鑽削出（chū）口毛刺高度降低和厚度減少。趙甘霖等研究了鈦合金超聲振動鑽削工（gōng）藝對於出口毛刺的影（yǐng）響，並通過有限元仿真分析和超聲振動鑽削試驗進行驗證（見圖4），結果表明，鈦合金超聲振動鑽削出口毛刺高度明顯低於傳統加工。Li Z.等通過旋轉超聲輔助鑽削鈦合金試驗研究發現，相比於傳統鑽削加工，旋轉超聲輔助鑽削鈦合（hé）金時，出口位置的（de）推力和切削溫（wēn）度降低，材料（liào）變形量減小，出口毛刺高度下（xià）降82.27%~89.18%。

圖4 超聲振動試驗（yàn）平台和切削模型

鈦合金加（jiā）工時表麵易產生硬化現象，鈦元素活性大易形成積（jī）屑，從而使切削力變大；同時，鈦合金材料（liào）導熱係數小（xiǎo），導致切削溫度高，因此，降低切削溫度可有效抑製出（chū）口毛刺產生。低溫（wēn）冷卻加工工藝可使（shǐ）刀尖加工部位（wèi）溫度降低，工件材料（liào）局部冷萃，從而抑（yì）製鈦合金鑽削（xuē）加工（gōng）出口毛刺的產（chǎn）生。劉（liú）書暖等在觀（guān）察（chá）低（dī）溫鑽削CFRP/鈦合（hé）金疊層構件時發現，出口毛刺（cì）和燒蝕（shí）現象減少，表麵質量有（yǒu）明顯的改善，其原因是隨著溫度的降低和材料（liào）脆性的提高，產生的塑性變形較少，因此（cǐ）鑽削時材料更容（róng）易被去除，不易形成毛刺。Kim D.M.等以液氮為冷卻劑對鈦合金進行鑽削加工，發現低溫條（tiáo）件下，出口毛刺高度比幹燥和潮濕（shī）條件下加工下降了56.2%和28.2%。由此可見，低溫環境切削鈦合金材料時（shí）可有效（xiào）降（jiàng）低切削溫度、減小切削力和扭矩，且隨著切削溫度和切削力的降低，使出口毛刺減少、刀具磨損得到抑製。

綜（zōng）上所述，超聲振動輔助加工和旋轉超聲輔助加工可有效減小鑽削軸（zhóu）向力，緩解材料的塑性（xìng）變形程度。此外，低溫鑽削加工工藝通過降低（dī）加工區域（yù）溫度（dù）、提升鈦合金材料的脆性以及減少材料的（de）變形等作用機（jī）理來達到抑製出（chū）口毛刺的目（mù）的。

5 結語

鈦（tài）合（hé）金以強度高、化學（xué）活（huó）性高和抗斷裂性好等優良特性被廣泛應用於諸多尖端領域。本文結合國內外研究現狀，對該材料（liào）出口（kǒu）毛刺研究進（jìn）行了（le）如下總結與展望：

（1）現有關於鈦合金鑽削加工出口毛（máo）刺的（de）分（fèn）類還不夠全（quán）麵，缺少（shǎo）統（tǒng）一的標準和（hé）係統性的劃分，有必要進行（háng）相關的機（jī）理探索和試驗研究，對出口毛（máo）刺按照形成機（jī）理、特征進行係統分類，為出口毛刺控製策略研究提供（gòng）理論基礎；

（2）針對鈦（tài）合金鑽削加工使用（yòng）的刀具目前以（yǐ）麻花鑽為主，但該類刀具在切削孔底材料時（shí）切除率較低，導致出口毛刺尺寸較大，因此，為抑製出口毛（máo）刺的形成，開（kāi）發新型刀具的研究是一個（gè）重要（yào）方向；

（3）超聲振動、旋轉超聲輔（fǔ）助和低溫鑽削可有效降低鈦合金鑽削加工中出口毛刺的尺寸，但出口毛刺的產生因受綜合因素（sù）的影響而難以避免。因此（cǐ），加強對相應加工工藝機理的研究，同時開發新的加工工（gōng）藝（yì）仍是當前研究的（de）關鍵。