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)字化國防重點學(xué)科實驗室，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，已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)［3-6］。

國內(nèi)外對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;切削刃口半徑對表面粗糙度的影響是不均勻的。YANG Xiaoyong［9］等對高速側(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)量對于提高相應(yīng)零部件的疲勞壽命具有重要的意義。

1 試驗條件

試驗所用機(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工件表面粗糙度進(jìn)行測量，為提高測量精度，在被加工工件的表面同等距離上取5 個點，每個點進(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，表面加工質(zhì)量變差，這與圖2 所測表面粗糙度的變化趨勢是一致的，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，表面粗糙度取得最小值0.385 μm;當(dāng)軸向切深為0.6 mm 時，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，而對切削溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量比較困難［13-14］，為此采用有限元Abaqus 對鈦合金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 個點，去掉偏差過大的點，優(yōu)化選取8 個點，并取這8 個點的輪廓算術(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，刀具和工件均采用了8節(jié)點六面體顯示熱應(yīng)力耦合線性減縮積分單元C3D8RT。約束條件:對工件底面及xOz面約束包括移動和旋轉(zhuǎn)所有自由度，對刀具添加沿x方向的移動約束和沿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，最高溫度有所下降。在主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min 時，最高溫度達(dá)到最大值1 006 ℃。盡管TA15 的相變點為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，在工件表面等距離(2 mm)選取參考點測量的表面高度的變化情況。從圖中可以看出除少數(shù)點表面高度達(dá)到0.6 μm 之外，其余點的表面高度均在-0.4～0.4 μm 之間。經(jīng)計算所取100 個點的輪廓算數(shù)平均偏差為0.341 μm，與實際測量表面粗糙度的誤差為9.31%。同時，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)計算與實際測量的表面粗糙度值的誤差分別為9.14%、10.32%、9.88%。從仿真及計算結(jié)果可以看出，仿真值與試驗測量值比較吻合，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，表面加工質(zhì)量變差，表面粗糙度值增大;但主軸轉(zhuǎn)速對微觀組織的影響并不是很明顯。

(2)軸向切深對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，最高溫度有所下降。

(4)表面粗糙度的有限元仿真結(jié)果與試驗測量結(jié)果基本一致，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為9 500 r/min 時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。

［1］楊振朝，張定華，姚倡鋒，等.TC4 鈦合金高速銑削參數(shù)對表面完整性影響研究［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，27(4):538-543.

［2］ANTONIALLI A I S，DINIZ A E，PEDERIVA R.Vibration Analysis of Cutting Force in Titanium Alloy Milling［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2010，50(1):65-74.

［3］LI Anhai，ZHAO Jun，LUO Hanbing，et al.Progressive Tool Failure in High-speed Dry Milling of Ti-6Al-4V Alloy with Coated Carbide Tools［J］.Int J Adv Manuf Technol，2012，58(5/8):465-478.

［4］ZHANG S，LI J F，SUN J，et al.Tool Wear and Cutting Forces Variation in High-speed End-milling Ti-6Al-4V alloy［J］.Int J Adv Manuf Technol，2010，46(1/4):69-78.

［5］BOSHEH S S，MATVENGA P T.White Layer Formation in Hard Turning of H13 Tool Steel at High Cutting Speeds Using CBN Tooling［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2006，46(2):225-233.

［6］CHE-Haron C H，JAWAID A.The Effect of Machining on Surface Integrity of Titanium Alloy Ti-6% Al-4% V［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，166(2):188-192.

［7］SUN J，GUO Y B.A Comprehensive Experimental Study on Surface Integrity by End Milling Ti-6Al-4V［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(8):4036-4042.

［8］WYEN Carl-frederik，JAEGER Dominik，WEGENER Konrad.Influence of Cutting Edge Radius on Surface Integrity and Burr Formation in Milling Titanium［J］.Int J Adv Manuf Technol，2013，67(1/4):589-599.

［9］YANG Xiao-yong，REN Cheng-zu，WANG Yan，et al.Experimental Study on Surface Integrity of Ti-6Al-4V in High Speed Side Milling［J］.Trans.Tianjin Univ，2012，18(3)，206-212.

［10］MOUSSAOUI Kamel，MOUSSEIGNE Michel，SENATORE Johanna，et al.Influence of Milling on Surface Integrity of Ti6Al4V-study of the Metallurgical Characteristics:Microstructure and Microhardness［J］.Int J Adv Manuf Technol，2013，67(5/8)，1447-1489.

［11］杜隨更，呂超，任學(xué)軍，等.鈦合金TC4 高速銑削表面形貌及表層組織研究［J］.航空學(xué)報，2008，29(6):1710-1715.

［12］SU Honghua，LIU Peng，F(xiàn)U Yucan，et al.Tool Life and Surface Integrity in High-speed Milling of Titanium Alloy TA15 with PCD/PCBN tools［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2012，25(5):784-790.

［13］董輝躍，柯映林，成群林.鋁合金三維銑削加工的有限元模擬與分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2006，40(5):759-762.

［14］陳明，袁人煒，凡孝勇，等.三維有限元分析在高速銑削溫度研究中應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2002，38(7):76-79.

［15］JOHNSON Gordon R，COOK William H.A Constitutive Model and Data for Metals Subjected to Large Strain，High Strain Rates and High Temperatures［C］.Proceedings of the Seventh International Symposium on Ballistics，The Hague，The Netherlands，1983:541-547.