王明海，王京剛，鄭耀輝，高蕾，李世永

(沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110136)

0 前言

鈦合金材料以比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但由于切削溫度高、化學(xué)活性高、切削力大、導(dǎo)熱系數(shù)和彈性模量小等特點(diǎn)致使鈦合金的切削加工性較差，從而影響到鈦合金切削加工表面完整性，對(duì)鈦合金零部件的疲勞性能造成不利影響［1-2］。高速切削以低的切削力、高的加工效率、高的加工精度及表面加工質(zhì)量等優(yōu)異特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)［3-6］。

國內(nèi)外對(duì)鈦合金高速切削加工表面完整性進(jìn)行著積極的研究。J SUN［7］等對(duì)端銑Ti-6Al-4V 表面完整性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:表面粗糙度隨進(jìn)給量和徑向切深的增加而增大，并且銑削表面呈現(xiàn)出各向異性的性質(zhì)，表面粗糙度值在0.6～1.0 μm 之間。Carl-Frederik WYEN［8］等研究了切削刃口半徑對(duì)銑削鈦合金殘余應(yīng)力和表面粗糙度的影響，結(jié)果表明:殘余應(yīng)力隨切削刃口半徑的增加而增加，尤其是在逆銑中，而在順銑中影響不明顯;切削刃口半徑對(duì)表面粗糙度的影響是不均勻的。YANG Xiaoyong［9］等對(duì)高速側(cè)銑Ti-6Al-4V 表面完整性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:切削速度在320～380 m/min 比在80～120 m/min 的條件下，獲得更好的表面完整性和更高的材料去除率。Kamel MOUSSAOUI［10］等對(duì)鈦合金銑削表面完整性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)釩由β 向α 相擴(kuò)散，但微觀組織并沒有發(fā)生變化。以上對(duì)表面完整性的研究多集中在Ti-6Al-4V和TC6 等鈦合金材料，而對(duì)高速銑削鈦合金TA15 表面形貌及表層組織研究較少［11］。TA15 鈦合金以其在500 ℃下較長的工作壽命［12］，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣封閉環(huán)、軸承座、承力環(huán)，飛機(jī)框架、壁板等部位，所以研究其在高速銑削條件下的表面加工質(zhì)量對(duì)于提高相應(yīng)零部件的疲勞壽命具有重要的意義。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用機(jī)床為DMU70 五軸立式加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，材料為鈦合金TA15，其化學(xué)成分為Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，該鈦合金屬于高Al 當(dāng)量近α 型合金，尺寸為20 mm×12 mm×7 mm。刀具采用肯納整體硬質(zhì)合金立銑刀(KC631M)，直徑為φ10 mm，前角10°，后角12°，螺旋角38°，采用乳化液冷卻，順銑加工。

采用TR240 便攜式表面粗糙度儀對(duì)工件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，為提高測(cè)量精度，在被加工工件的表面同等距離上取5 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行3 次讀數(shù)，取其平均值。采用FEI/PHILIPS Quanta 600 型環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)表面形貌進(jìn)行觀察。

將切割試件進(jìn)行打磨、拋光后進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑為體積分?jǐn)?shù)配比等于1∶ 3∶ 50 的氫氟酸∶ 硝酸∶ 水，并采用FEI/PHILIPS Quanta 600 型環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)表層組織進(jìn)行觀察。

2 銑削加工表面粗糙度及表面形貌

2.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度及表面形貌的影響

圖1所示為主軸轉(zhuǎn)速n依次選取4 500、7 000、9 500、12 000 r/min，每齒進(jìn)給量fz為0.04 mm/z，軸向切深ap為0.4 mm，徑向切寬ae為6 mm，銑削加工工件表面中心位置處表面形貌圖，圖2 為不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面粗糙度值。

圖1 不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面形貌

從圖1 可以看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速由4 500 r/min 增加到9 500 r/min，表面加工刀痕越來越不明顯，表面加工質(zhì)量越來越好，而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min時(shí)，表面加工質(zhì)量變差，這與圖2 所測(cè)表面粗糙度的變化趨勢(shì)是一致的，可見主軸轉(zhuǎn)速優(yōu)選9 500 r/min以獲得較好的表面加工質(zhì)量。

圖2 不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面粗糙度

2.2 軸向切深對(duì)表面粗糙度及表面形貌的影響

圖3所示為主軸轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，fz為0.04 mm/z，徑向切寬ae為6 mm，圖(a)、(b)軸向切深分別取0.2、0.6 mm 時(shí)的銑削加工表面形貌圖。

圖3 不同軸向切深下的表面形貌

將圖3(a)、(b)與圖1(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨軸向切深的增大，表面粗糙度值增加。當(dāng)軸向切深為0.2 mm 時(shí)，表面粗糙度取得最小值0.385 μm;當(dāng)軸向切深為0.6 mm 時(shí)，表面粗糙度取得最大值0.641 μm，這是由于軸向切深的增大，使切削力變大，振動(dòng)加劇，從而使得表面加工質(zhì)量變差。

3 微觀組織

圖4所示為不同主軸轉(zhuǎn)速下銑削加工工件表面中心位置的表層微觀組織照片。從圖中可以看出，隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，表層微觀組織的變化并不是很明顯，并沒有觀察到明顯的相變以及晶粒的歪曲，α、β 相的體積分?jǐn)?shù)并沒有太大的變化。

圖4 不同主軸轉(zhuǎn)速下的表層微觀組織

4 有限元分析

切削溫度對(duì)鈦合金切削加工表面粗糙度和微觀組織有著重要的影響，而對(duì)切削溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量比較困難［13-14］，為此采用有限元Abaqus 對(duì)鈦合金TA15在不同主軸轉(zhuǎn)速下切削區(qū)溫度進(jìn)行了仿真分析。

工件加工后表面高度的變化在一定程度上反映了工件的表面加工質(zhì)量，為此對(duì)鈦合金TA15 銑削加工表面位移大小進(jìn)行仿真，在工件穩(wěn)定切削后的表面同等距離上取10 個(gè)點(diǎn)，去掉偏差過大的點(diǎn)，優(yōu)化選取8 個(gè)點(diǎn)，并取這8 個(gè)點(diǎn)的輪廓算術(shù)平均偏差作為該切削條件下的表面粗糙度值。

由于鈦合金的銑削伴隨著大的變形及應(yīng)變，在加工過程中涉及高溫、高應(yīng)變速率耦合的大變形和斷裂，為此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，刀具和工件均采用了8節(jié)點(diǎn)六面體顯示熱應(yīng)力耦合線性減縮積分單元C3D8RT。約束條件:對(duì)工件底面及xOz面約束包括移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)所有自由度，對(duì)刀具添加沿x方向的移動(dòng)約束和沿z軸方向的旋轉(zhuǎn)約束。定義完成的銑削模型如圖5所示。

圖5 三維銑削有限元仿真模型

工件材料等向塑性本構(gòu)模型定義［15］如下式所示:

圖6所示分別為不同主軸轉(zhuǎn)速下切削區(qū)的溫度分布云圖。

圖6 不同主軸轉(zhuǎn)速下溫度場(chǎng)分布云圖

從圖中可以看出，最高溫度均出現(xiàn)在刀-屑接觸面處(圖中圓圈標(biāo)注處)，距離刀尖的距離為0.01～0.03 mm 的位置。最高溫度整體上隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而升高，而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為9 500 r/min 時(shí)，最高溫度有所下降。在主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min 時(shí)，最高溫度達(dá)到最大值1 006 ℃。盡管TA15 的相變點(diǎn)為990℃，刀-屑區(qū)的最高溫度達(dá)到1 006 ℃，但是在切削過程中，切屑帶走了絕大部分的熱量，傳遞給已加工表面的熱量只是很少一部分，所以并不能使得已加工表面發(fā)生相變。

圖7所示為主軸轉(zhuǎn)速為9 500 r/min 時(shí)，在工件表面等距離(2 mm)選取參考點(diǎn)測(cè)量的表面高度的變化情況。從圖中可以看出除少數(shù)點(diǎn)表面高度達(dá)到0.6 μm 之外，其余點(diǎn)的表面高度均在-0.4～0.4 μm 之間。經(jīng)計(jì)算所取100 個(gè)點(diǎn)的輪廓算數(shù)平均偏差為0.341 μm，與實(shí)際測(cè)量表面粗糙度的誤差為9.31%。同時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為4 500 r/min、7 000 r/min、12 000 r/min 下所得的輪廓算術(shù)平均偏差分別為0.557 μm、0.365 μm、0.374 μm，經(jīng)計(jì)算與實(shí)際測(cè)量的表面粗糙度值的誤差分別為9.14%、10.32%、9.88%。從仿真及計(jì)算結(jié)果可以看出，仿真值與試驗(yàn)測(cè)量值比較吻合，從而證明通過有限元軟件分析銑削鈦合金加工表面位移大小，把銑削加工表面的輪廓算數(shù)平均偏差作為表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)，分析表面粗糙度值的正確性及有效性。

圖7 加工表面高度值波動(dòng)變化曲線

5 結(jié)論

(1)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速由4 500 r/min 增加到9 500 r/min，表面加工質(zhì)量越來越好，表面粗糙度值逐漸降低，而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)，表面加工質(zhì)量變差，表面粗糙度值增大;但主軸轉(zhuǎn)速對(duì)微觀組織的影響并不是很明顯。

(2)軸向切深對(duì)表面粗糙度和表面形貌的影響比較顯著。

(3)切削區(qū)最高溫度出現(xiàn)在刀- 屑接觸面處，距離刀尖的距離0.01～0.03 mm 的位置。最高溫度整體上隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而升高，而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為9 500 r/min 時(shí)，最高溫度有所下降。

(4)表面粗糙度的有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為9 500 r/min 時(shí)得到的加工表面高度變化范圍基本在-0.4～0.4 μm 之間，很好地分析了加工工件表面粗糙度值，證明了有限元分析銑削鈦合金表面粗糙度值的正確性及有效性。

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