1 引言

隨著我國醫療器械（xiè）、航空航天、航海勘測和石油化工等重要領域迅速發展，對其應用零件製造（zào）材料的耐用性和力學性（xìng）能的要求不斷提高，因此，尋找合適的加工材料已迫在眉睫。鈦合金材料因其具有質量輕、強（qiáng）度高、耐腐蝕和抗斷裂性（xìng）能好等優異性能，被認為是金屬材料應用領域中正在崛起的“第三金屬”、“智能金屬”，並且也是重要的戰（zhàn）略金屬材料，廣泛應用於機械加工領域（yù），如航空發動機、機身部件等重要部位。

在鈦合金結構件的裝配和緊固等工藝條件下，需要提前進行鑽削和銑削等（děng）機械加（jiā）工。其（qí）中，鑽削工序占重要比例（lì）。在鑽削加工鈦合金的過程中，由於軸向力大（dà）且溫度（dù）高，導致鑽孔出口產生不同形狀和高度的（de）毛刺（cì），嚴重影響裝配（pèi）質量和服役性（xìng）能。大量研究結果表明，毛刺的（de）後（hòu）處理工序嚴重增加了鈦合金的加工成本。因此，分析鈦合金鑽削加工出口毛刺（cì）的（de）形成機理，探究鈦合金鑽削（xuē）出口毛刺缺陷的控製方法，對於鈦合（hé）金在精密機械零件領域的應用有（yǒu）重要意義。

本文針對鈦合金鑽削加（jiā）工中出口毛刺缺陷問題，從（cóng）毛刺類型、形（xíng）成機理和（hé）控製策略三個方麵進行綜述，為鈦合金鑽削加工出口毛刺缺陷研究提供參考。

2 鈦合金鑽削出（chū）口毛刺類型

鈦合金鑽削加工時，刀具的切削刃與工件發生（shēng）擠（jǐ）壓和（hé）剪切作用，使材料發生（shēng）塑性變形、彎曲和撕裂。一部分材料隨著刀具的剪切（qiē）作用沿運動方向被帶離工件表麵（miàn），另一部（bù）分殘餘材料留在工件出口表（biǎo）麵形成出口毛刺。在鑽（zuàn）削加工時，受切削參數和刀具結構的影響，會產生形狀（zhuàng）、大小不同的（de）毛刺。因此，開展不同類型的毛刺歸類整理分析，可為不同類型的出口毛刺形成機理提（tí）供一（yī）定的研究基礎。

駱彬等分析了工件剛度（dù）對鑽削（xuē）鈦合金出口毛刺的（de）影響，研究表明：隨著工件（jiàn）剛度的增加出口毛刺厚（hòu）度增（zēng）加、高度減小（xiǎo），且出口毛（máo）刺類（lèi）型（xíng）從冠狀變為均勻狀（zhuàng）。Kim D.等進行了變參數鑽削鈦合金試驗，通過出口圖像分析認為出口毛刺主要有三類：均勻（yún）毛刺、帶鑽帽撕裂的均勻毛刺和冠狀毛刺。Dornfeld D.A.等通過研究刀具的幾（jǐ）何（hé）形狀，在有無切（qiē）削液（yè）條件下進行鑽削鈦合金對比試驗，將幹式鑽削鈦合金出（chū）口毛刺分為均勻毛刺和回卷型毛刺，且（qiě）兩類均帶有鑽帽；將（jiāng）有切削液的鑽削出口毛刺分為無任何附著物的標準均（jun1）勻毛刺、帶鑽蓋（gài）的毛刺和環（huán）形毛刺。Kim D.等采用含鈷類高速（sù）鋼和硬（yìng）質合金兩種不（bú）同材料的刀具進行鑽削鈦合金試（shì）驗，得出在低轉速條件（jiàn）下，低進給量的硬質合金鑽頭、高進給（gěi）量的高速鋼鑽頭（tóu）易產生（shēng）均勻且細小的（de）出口毛刺，反之則產生冠狀型出口（kǒu）毛刺。Zhu Z.等針對鈦合金鑽孔性能從鑽孔點和孔出口邊緣的應力來確定斷裂位置，從而歸類出三種出口毛刺（cì）：均勻毛刺、帶鑽帽的均勻毛刺和冠狀（zhuàng）毛刺。Feldshtein E.在鈦合金板上鑽孔時發現，出口毛刺（cì）的形（xíng）狀有均勻毛刺、冠狀毛刺、鑽帽撕裂的均（jun1）勻毛刺和花瓣形均（jun1）勻毛刺。

通過上述分（fèn）析可知，鈦合金鑽削出口毛刺主要分為三（sān）類：均勻（yún）毛刺、帶鑽帽（mào）的均勻毛刺和冠狀毛刺，其形貌見圖1。由於鈦（tài）合金材料硬度（dù）高、導熱性（xìng）差，導致加工時產生的出口毛刺形狀複雜。目前，針對鈦合金出口毛刺類型（xíng）的分類還未有統（tǒng）一的（de）標準。

圖1 鈦合金鑽削出口（kǒu）毛（máo）刺分類

3 鈦合金鑽削（xuē）出口毛刺形成機理

在鈦（tài）合金（jīn）鑽削出（chū）口（kǒu）毛刺（cì）類型研究的基礎上，分析出口毛刺的形成機（jī）理是（shì）實現有效控製的必要條件。目前，針對鑽削鈦合金出口毛（máo）刺的研究，很多研（yán）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（kǒng）圖像分析相結合的方式來進行鈦合金鑽削出口毛刺形成機理的研究。

Franczyk E.等基於刀具的（de）幾何角度和切削（xuē）參數建立了鈦合金鑽削出口毛刺形成的仿真模型。結果發（fā）現：出口毛刺主（zhǔ）要在垂直（zhí）於切削刃上（shàng）方、接近鑽頭外徑處產生。切削加工時，孔底材料（liào）發生（shēng）塑性變形，因不能被及時切除而形成（chéng）出口毛刺。Zhe L.等針對旋轉超聲輔助（zhù）鑽削鈦合金材料（liào）的出口毛刺缺陷開展（zhǎn）試驗研究，並建立了出口毛刺形（xíng）成過程的理（lǐ）論模型。試驗結果表明，隨著鑽頭的切出（chū），孔出口大部分材料被刀尖橫刃和切削刃（rèn）切除，剩餘的小部分（fèn）材料最終（zhōng）形成出口毛刺。Lauderbaugh L.K.等采用（yòng）模擬與試驗相結合的（de）方法分析了出口毛刺的形成機理，認為毛刺的（de）形成分為兩種情況：鑽頭頂（dǐng）部材料被完整推出形成均勻細小毛刺和鑽頭頂部材料提前撕裂形成不（bú）規則冠狀毛刺。李哲等認為鈦合金出口毛刺形成（chéng）過（guò）程分為（wéi）以下6步（bù）：①正常穩定鑽削出口的臨界狀態；②孔出口處孔底殘餘材料開始塑性變形且被頂出超過孔出口邊緣；③出口頂出的殘餘材料出現較大塑性變形（xíng）；④材（cái）料發生拉伸斷裂；⑤隨著鑽頭向下使裂紋擴展；⑥當鑽頭橫刃、主切削刃（rèn）和副切削刃都完全超出孔出口邊緣時最終形成出口毛刺。

圖2為（wéi）鑽削出口殘餘材料變形及毛刺形成。綜上所述，出口毛刺的形狀主要取決於切（qiē）削材料的撕裂位置（zhì）和切削（xuē）刃對殘餘材料的切除（chú）效率。沿（yán）孔邊緣（yuán）撕裂且切削效率高，則產生（shēng）帶鑽帽的均勻毛刺；沿鑽頭中心撕裂且對殘餘材料切除效率較低，則產生形狀不規則的冠（guàn）狀毛刺。此外（wài），在（zài）圍繞出口毛刺形成機理的有限元仿真研究中，建立（lì）的刀具模型具有一定的局限（xiàn）性，且建（jiàn）模過程（chéng）忽（hū）略了刀具磨損和鑽削（xuē）溫度對加工的影響，因此（cǐ）仿真模型缺乏準確性。

圖（tú）2 鑽削出口殘餘（yú）材（cái）料切削變形及毛刺形成

4 鈦合金鑽削出口（kǒu）毛刺控製策略

通過上述有關鈦合金鑽削出口毛刺類型和形成機理的討（tǎo）論分析可知，切削參數、加（jiā）工工（gōng）藝和刀具結構（gòu）是影響加工過程中的軸向力和材料塑性變形的主要因素，而軸向力和（hé）材料的塑性變形則對出口毛刺（cì）的形狀和高（gāo）度具有一定影響。因此，開展鈦合金鑽削出口毛刺（cì）控製的研究，可以從優化加（jiā）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，選擇合理的切削參數可以有效控製軸向力、扭矩和切削溫度對（duì）加工過（guò）程的（de）影響，有助（zhù）於提升孔（kǒng）的（de）質（zhì）量，降低（dī）毛刺高度和減小（xiǎo）刀具磨損。因此，通過優化切（qiē）削參數，在（zài）鑽削過（guò）程中降低或消除（chú）出口毛刺（cì）的（de）形成對實際生產（chǎn）加工成本的控製有重要意義。

通過正交試驗或單因素切削試驗的方法（fǎ）對鑽削鈦合金的切削參數進行優化。Prabukarthi A.等利用（yòng）多目標加權法優化加工參數得出，在鑽削鈦合金時，降低出口毛（máo）刺（cì）的最（zuì）優參數組合為主軸轉速1000 r/min，進給量（liàng）0.13 mm/r。Abdelhafeez A.M.等通過正交（jiāo）試驗對（duì）鈦合（hé）金鑽削進行參數優化，並通過二階回歸模型進行驗證。結果（guǒ）表明，出口毛刺高度（dù）與切削參數呈高度非線性關係，並且在進（jìn）給量為（wéi）0.14mm/r，切削（xuē）速度（dù）為（wéi）30m/min時，出（chū）口毛刺（cì）高度最小（xiǎo）。Bi S.等利用多目標參數優化（huà）算法對（duì）切削參數進行優化，分析了在進（jìn）給速度和主軸轉速的相互作（zuò）用下，切（qiē）削區（qū）溫度和應變速率的變化和對材料強度和塑性的影響，並（bìng）通過多目標優化得到最佳參數組合為主軸轉速2000r/min，進（jìn）給量0.075mm/r。Feldshtein E.和Shetty P.K.等分別采用（yòng）單因素試驗法和（hé）田口L9正交列陣法對鈦（tài）合金鑽削試（shì）驗進行參數優化，結果表明，使用高轉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（xiàn）元仿真模擬技術，對鑽削加工鈦合金（jīn）出口毛刺的加工參數（shù）進行優化，並通過（guò）試驗對優化後（hòu）的鑽削參數進行驗證，仿真結果表明，參數優化後的出口毛刺高度下降50%～75%。

4.2 刀具結構優化

在鈦合金鑽削加工中，因（yīn）過大（dà）的刀具頂角和過長的切削（xuē）刃等刀（dāo）具結構問題，易使加工時溫（wēn）度驟升，並且在加工區（qū）域產生高溫，造成刀具粘結與嚴重的刀具磨損，從而導（dǎo）致在鈦合金鑽削加工時（shí）孔的出（chū）口毛刺高度增加。因此，針對刀具結構的優化，有助於（yú）減小毛刺尺寸和提升孔的精度和（hé）表麵質量。

Li C.P.等采用不同材料和結構類型的鑽頭進行鈦（tài）合金鑽削試驗，結果表明（míng），相比於（yú）麻花鑽，螺旋（xuán）鑽因具有推力小、鑽頭長（zhǎng）度短和頂角大等特點，鑽頭在離開工件時，切削刃能夠將出口周（zhōu）邊（biān）的材料有效切除，因此出口毛刺細小（xiǎo）且均勻（yún）。Kim J.等在鑽削鈦合金材料（liào）時發（fā）現，鑽尖角的增大（dà）有助於（yú）減小出口（kǒu）毛刺的厚（hòu）度和高度，而螺旋角的增大會導致出口毛刺尺寸（cùn）的增加。李哲等采用了一種八麵（miàn）鑽新刃型刀具（jù），八（bā）麵鑽減小了橫刃寬度、主切削刃長度和主後刀麵寬度，增加了（le）第二後刀麵，並且頂角從118°減（jiǎn）至90°，從而減小了（le）主後刀麵長度，因此在（zài）鑽削鈦合（hé）金時比普（pǔ）通麻花鑽更易鑽入（rù），有效降低了出口毛刺高度。Wei L.等研究了（le）采用階梯鑽和雙錐鑽（見圖3）鑽削加工鈦合金材料的（de）情況，仿真試驗對比（bǐ）結果表明，階梯鑽產（chǎn）生的推力較大（dà），導（dǎo）致溫度過高，增（zēng）加（jiā）了材料的延展性，使其產生的（de）出口毛刺大於雙（shuāng）錐鑽。

圖3 階梯鑽和雙錐麵鑽

通過（guò）上述分析可知，優（yōu）化刀具結（jié）構可有效（xiào）抑製鈦合金鑽削（xuē）出口毛（máo）刺的產生。此外，在鑽頭出口位置切（qiē）削刃能否有（yǒu）效切除材料以及出口位（wèi）置的溫度是（shì）影（yǐng）響出口毛（máo）刺大小和形狀的主要（yào）因素。因此，針對鈦合金材（cái）料硬度高和導熱性低的特性（xìng），設計新型刀具刃口形（xíng）狀和開發適合加（jiā）工鈦合金的刀具材料，仍是提升鈦合金實際應（yīng）用價值的關（guān）鍵。

4.3 加工工藝優選

針對傳統加工工藝出口毛刺（cì）尺寸較大（dà）、去除困難等問題，國內外學者（zhě）通過改變加工工藝的方法來減少或者消除毛（máo）刺，並主要開展了（le）超（chāo）聲（shēng）振（zhèn）動、旋轉超聲輔助和低溫鑽削等（děng）鑽削鈦合金試驗研究。Zhang P.F.等通過對比傳統鑽削（xuē）和超聲振動輔助鑽削試（shì）驗（yàn）得出以（yǐ）下結論：由於超聲振動輔助鑽削能夠有效降低工件（jiàn）溫度，抑製材（cái）料延展性的增加，使鈦合（hé）金鑽削出口毛刺高度降低和厚度減（jiǎn）少。趙甘霖等研究了鈦合金超聲振動鑽削工藝（yì）對於出口毛刺的（de）影響，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（tú）4），結果（guǒ）表明，鈦合（hé）金超聲（shēng）振動鑽削出口毛刺（cì）高度明（míng）顯低於傳統加工。Li Z.等通過（guò）旋轉超聲輔（fǔ）助鑽削鈦合金試驗研究發現，相比於傳統鑽削加工（gōng），旋轉超聲（shēng）輔助鑽削鈦合金時（shí），出口（kǒu）位置的推力和切削（xuē）溫度降低（dī），材料（liào）變形量減小，出口毛刺高度下（xià）降82.27%~89.18%。

圖4 超聲振動試驗平台和切削模型

鈦合金加（jiā）工時表麵易產生硬化（huà）現象，鈦元素活性大易形成（chéng）積屑，從（cóng）而（ér）使（shǐ）切削（xuē）力變大（dà）；同時，鈦合金材料導熱係數小，導致切削溫度高，因此，降低切削（xuē）溫度可有效抑製出口毛刺產生。低溫冷卻加工工藝可使刀尖加工部位溫度降低，工（gōng）件材料局部冷萃，從而（ér）抑製鈦合金鑽（zuàn）削加工出口毛刺的產生。劉書暖等在觀察低溫鑽削CFRP/鈦合（hé）金疊層構件時（shí）發現，出口毛（máo）刺和燒蝕現象減少，表麵質量有明顯的改善，其原因是隨著溫（wēn）度的降低和材料脆性（xìng）的提高，產生的塑性變形較少，因此鑽削時材（cái）料更容易被去除，不易（yì）形成毛（máo）刺。Kim D.M.等以液氮為冷卻劑對鈦合金進行鑽削加工，發現低溫條件下，出口毛（máo）刺（cì）高度比幹燥和潮濕（shī）條件下加工下降了56.2%和28.2%。由此（cǐ）可見，低溫環境切削鈦合金材料時可有效降（jiàng）低切削溫度、減小切削力（lì）和扭矩，且隨著切削（xuē）溫度和切（qiē）削力的降低，使出口毛刺減少、刀具磨損得到抑製。

綜上所述，超聲振動輔助加工和旋（xuán）轉（zhuǎn）超聲輔助加工可有（yǒu）效減小鑽削軸向力，緩（huǎn）解材料的塑性變形（xíng）程度。此外，低溫鑽削加工工藝通過降低（dī）加工區域溫度、提升鈦合金材料的脆性以及減（jiǎn）少材料的變形等作用機理來達到抑製出口毛刺的目的。

5 結語

鈦合金以強度高、化學活性高和抗斷裂性好等優良特性被廣泛應用於諸多尖（jiān）端領域。本文（wén）結合國內（nèi）外研究（jiū）現狀，對該材料（liào）出口毛刺研究進行了（le）如下總結與展望：

（1）現有關於鈦合金鑽（zuàn）削加工出口毛刺的分類還不夠全麵，缺少統一的標準和係統性的劃分，有必要進行相關的機理探索和試驗（yàn）研究（jiū），對出口毛刺（cì）按照形成機理、特征進行係（xì）統分類，為出（chū）口毛刺控製策略研究提供理論基礎；

（2）針對（duì）鈦合金鑽削加（jiā）工使用的（de）刀具（jù）目前以麻花鑽為主，但該類刀具在切削孔底（dǐ）材料時切（qiē）除率較低，導致出口毛刺尺寸較大，因此，為抑製出口毛刺的形成，開（kāi）發新型刀具的研究（jiū）是一個（gè）重要方向；

（3）超聲振動（dòng）、旋轉超聲輔助（zhù）和低（dī）溫鑽削可有效降低（dī）鈦（tài）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（yīn）素的影響而難以避免（miǎn）。因此，加強對相應加工工藝機理的研究，同時開發新的加工工藝（yì）仍是當前研究的關鍵。