北京衛(wèi)星制造廠 周子同

北京航空航天大學(xué) 崔 季 陳志同

中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 徐義平

鈦合金具有強(qiáng)度高、密度小、機(jī)械性能好、韌性和抗蝕性能好的特點(diǎn)，主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。但是，鈦合金切削性能差，具體表現(xiàn)在切削溫度高、單位面積切削力較大、刀具易磨損等方面。如果選擇了不恰當(dāng)?shù)募庸?shù)或者工藝，這些不利因素會(huì)對(duì)零件表面完整性造成不利影響，從而影響到鈦合金零件整體的疲勞性能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈦合金表面完整性已經(jīng)進(jìn)行了積極的研究。楊振朝等[1]研究了高速銑削參數(shù)對(duì)TC4鈦合金表面完整性的影響，得出結(jié)論：銑削速度從113m/min增加到301m/min時(shí)，硬化深度隨銑削速度的升高而減小，而當(dāng)銑削速度升高到377m/min時(shí)，硬化深度略有增大。Umbrello等[2]研究發(fā)現(xiàn)，使用更低線速度或者加工過程中使用冷卻液時(shí)會(huì)使硬化率提高。Ginting等[3]通過非涂層和涂層刀具干銑鈦合金Ti-6242s試驗(yàn)得到結(jié)果：在切削參數(shù)相同條件下，非涂層刀刀具磨損后，工件表面硬度增大值稍有降低，但會(huì)增加硬化層硬度峰值，且會(huì)略微增加硬化深度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈦合金的表面完整性已經(jīng)進(jìn)行一些研究，對(duì)TB6材料的研究有一定的參考價(jià)值。但對(duì)TB6材料銑削表面完整性的研究仍然欠缺，本文將從表面粗糙度、加工硬化和殘余應(yīng)力3個(gè)方面對(duì)TB6表面完整性現(xiàn)象進(jìn)行研究，為TB6銑削加工過程優(yōu)化提供依據(jù)與方法。

1 表面完整性及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Field等首先引入了表面完整性的概念，將它定義為在機(jī)械加工過程中或者其他表面處理過程中產(chǎn)生的表面強(qiáng)化狀態(tài)。所謂表面完整性是指控制加工工藝方法造成的零件表面及亞表面材料的物理和化學(xué)特性，主要針對(duì)零件加工后表面層0.2～0.5mm以內(nèi)的微觀幾何特征和材料組織特性及其變化規(guī)律。它是加工過程中構(gòu)件表層材料可能產(chǎn)生的各種改變及其對(duì)構(gòu)件服役性能影響的總描述和控制。

文獻(xiàn)4中隨后提出了表面完整性測(cè)量方法的詳細(xì)描述，并給出了獲得表面完整性數(shù)據(jù)的試驗(yàn)過程。他們的前期貢獻(xiàn)獲得了廣泛認(rèn)可，并且?guī)椭⒘吮砻嫱暾缘拿绹?guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]。

表面完整性包含兩個(gè)方面的內(nèi)容。（1）加工表面的幾何特征：與表面紋理相關(guān)的幾何特征主要包括表面粗糙度、表面波紋度、表面紋理方向和表面缺陷等；（2）加工表面層的物理力學(xué)性能：主要包括表面層的加工硬化、殘余應(yīng)力、金相組織變化、塑性變形等。

2 TB6鈦合金銑削表面完整性試驗(yàn)

2.1 試件材料

試件材料為TB6合金，又稱Ti-1023。Ti-1023是一種典型的近β型鈦合金，名義成分為Ti-10V-2Fe-3A1?；瘜W(xué)成分組成及力學(xué)性能如表1和表2所示[6]。

表1 TB6鈦合金的化學(xué)成分

表2 TB6鈦合金力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)條件及過程

TB6試件經(jīng)過線切割制成截面為正方形的長(zhǎng)方體，尺寸為20mm×20mm×30mm。試件的銑削加工是在三軸立銑床上進(jìn)行，銑削方式為端銑，刀片為山特維克TiAlN涂層硬質(zhì)合金方肩立銑刀，型號(hào)為R390-17 04 31E-PM S30T，刀尖圓弧半徑為R3～3.2mm，刀盤直徑50mm，型號(hào)為R390-50Q22-17L。

粗糙度的測(cè)量使用Time公司TR200手持式粗糙度儀，取樣長(zhǎng)度為0.8mm，評(píng)定長(zhǎng)度為4mm，使用設(shè)定參數(shù)進(jìn)行銑削加工后，在銑削表面沿垂直于線速度的方向進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)面選取5個(gè)點(diǎn)，測(cè)量之后取平均值作為該參數(shù)下銑削TB6的粗糙度值。

加工硬化程度的測(cè)量采用斜切法：銑削完成之后，首先在每個(gè)樣件的加工表面測(cè)出表面硬度值，然后在已加工表面上，距邊緣5～10mm處研磨出與加工面有2°夾角的斜面。采用粗磨、精磨、拋光的方式逐步研磨，使研磨面不產(chǎn)生加工硬化層。為了盡可能使測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確，需要保證斜面與已加工面之間的交角不產(chǎn)生圓角。隨后在斜切面上，從分界線開始逐點(diǎn)測(cè)量，直至達(dá)到基體硬度值并且硬度值不再產(chǎn)生明顯波動(dòng)。硬度測(cè)試的加載載荷為0.98N，保荷時(shí)間選為10s。使用儀器為FM-800顯微維氏硬度計(jì)。

殘余應(yīng)力的測(cè)試使用了PROTO公司iXRD型號(hào)的X射線衍射儀，將試件根據(jù)指定參數(shù)進(jìn)行銑削加工，然后使用儀器在試件表面中心對(duì)平行進(jìn)給方向和垂直進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響及表面粗糙度建模

切削加工過程中已加工表面的粗糙度主要由兩個(gè)方面的因素影響：一個(gè)是幾何因素產(chǎn)生的粗糙度，主要取決于殘留面積的高度；另一個(gè)是由切削過程不穩(wěn)定因素產(chǎn)生的粗糙度，其中包括積屑瘤、鱗刺、切削變形、刀具的邊界磨損、刀刃與工件相對(duì)位置變動(dòng)等。

為了建立加工參數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系模型，考慮線速度Vc、進(jìn)給量fz、切深ap和切寬ae4個(gè)因素，根據(jù)L16（44）正交表設(shè)計(jì)16組試驗(yàn)，加工參數(shù)及測(cè)得的表面粗糙度值如表3所示。

通過該正交表中參數(shù)及結(jié)果，可以得出粗糙度的指數(shù)模型如下：

另外，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行直觀分析可以得到如圖1所示曲線。

由圖1（a）可以看出，線速度Vc由20m/min升高到40m/min，粗糙度Ra沒有明顯變化，而當(dāng)線速度提高到60m/min時(shí)，Ra值出現(xiàn)了上升；而當(dāng)Vc繼續(xù)升高到80m/min時(shí)，Ra則急劇下降到0.3μm以下。這是因?yàn)榍邢魉苄尾牧蠒r(shí)，在中低速度的情況下，較容易產(chǎn)生積屑瘤及鱗刺，導(dǎo)致表面粗糙度較大；當(dāng)線速度超過積屑瘤消失的臨界值時(shí)，會(huì)使積屑瘤和鱗刺減小甚至消失，使表面粗糙度急劇減小。

表3 銑削參數(shù)選取及粗糙度測(cè)量值

圖1 切削參數(shù)對(duì)粗糙度影響Fig.1 Influence of cutting parameters on roughness

由圖1（b）可以看出，隨著每齒進(jìn)給量fz由0.04mm/z逐漸上升到0.12mm/z的過程中，粗糙度Ra持續(xù)上升，最后達(dá)到了0.45μm。這是因?yàn)檫M(jìn)給量的升高會(huì)增加殘留面積，隨之增加積屑瘤和鱗刺的高度，所以會(huì)增大粗糙度值。

由圖1（c）可以看出，當(dāng)切深ap由0.5mm逐步升高到2mm時(shí)，粗糙度在0.3～0.4μm內(nèi)波動(dòng)，沒有明顯增大或減小。

由圖1（d）可以看出，切寬ae從10mm增高到30mm時(shí)，粗糙度Ra沒有明顯變化，而當(dāng)ae增高到40mm時(shí)， Ra超過了0.4μm。這是因?yàn)楫?dāng)ae增大到一定程度時(shí)會(huì)使銑削溫度和銑削力增大，更加容易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，導(dǎo)致粗糙度值升高。

3.2 表面硬化率及硬化層深度曲線

切削加工后，工件已加工表面會(huì)產(chǎn)生加工硬化，這是因?yàn)樵谝鸭庸け砻娴男纬蛇^程中，表層金屬產(chǎn)生了復(fù)雜的塑形變形。根據(jù)位錯(cuò)理論[7]，塑性變形時(shí)金屬的強(qiáng)化在于位錯(cuò)集中在滑移線的附近。因?yàn)槲诲e(cuò)周圍為彈性應(yīng)力場(chǎng)，所以對(duì)下一步的塑形變形（即位錯(cuò)移動(dòng)）必須比非強(qiáng)化金屬有更大的應(yīng)力。加工硬化會(huì)導(dǎo)致金屬密度和塑性變形程度成比例地降低，并且導(dǎo)致金屬變形阻力增大、塑形降低、硬度增加[8]。

考慮線速度Vc、進(jìn)給量fz和切深ap，試驗(yàn)參數(shù)選取及測(cè)量結(jié)果如表4所示。

通過直觀分析可以得到單因素對(duì)硬化率N及硬化層深度Hd的影響，見圖2。從圖2（a）中可以看出，在參數(shù)選取范圍內(nèi)，隨著線速度的增大，硬化率呈逐步下降趨勢(shì)，而硬化層深度則先保持基本平穩(wěn)，然后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)榫€速度增加到一定程度，會(huì)縮短后刀面與工件的接觸時(shí)間，使硬化來不及進(jìn)行，并且增高切削溫度而使弱化進(jìn)行得比較充分[9]。

表4 銑削參數(shù)選取及表面硬化率測(cè)量值

從圖2（b）可以看出，進(jìn)給量的增加會(huì)使硬化率和硬化層深度略有增加，這是因?yàn)檫M(jìn)給量增加會(huì)使切削力及塑性變形區(qū)范圍增大。

從，圖2 （c）可以看出，切深對(duì)加工硬化的影響并不明顯。

圖2 銑削參數(shù)對(duì)表面硬化率影響Fig.2 Influence of cutting parameters on surface hardening tate

3.3 表面殘余應(yīng)力

銑削過程中，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要與切削力、熱載荷以及材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)等因素有密切關(guān)系。切削過程中刀具接觸點(diǎn)前方區(qū)域的“塑形凸出”效應(yīng)會(huì)使已加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，而刀具后刀面對(duì)工件表面的“擠光效應(yīng)”會(huì)使已加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[10]。切削過程中產(chǎn)生的切削熱會(huì)使加工表面層材料膨脹，當(dāng)工件冷卻時(shí)，由于表層材料受到內(nèi)部材料的約束，不能自由收縮，在表面層會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。根據(jù)切削條件和材料性能不同，已加工表面可能產(chǎn)生拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力兩種狀態(tài)。

銑削參數(shù)選取及表面殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)見表5，可以看出銑削加工之后，TB6表面均呈現(xiàn)出壓應(yīng)力，總體范圍在-190～-500MPa之間。可以得出結(jié)論：在TB6銑削過程中，刀具后刀面與已加工表面的擠光效應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用。

進(jìn)行單因素分析可得線速度、進(jìn)給量和切深對(duì)殘余應(yīng)力影響曲線如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，在參數(shù)選取范圍內(nèi)，隨線速度增加，平行進(jìn)給方向殘余應(yīng)力絕對(duì)值前期基本不變，后期略微增加，而垂直進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力絕對(duì)值先增大，隨后又略微減小，總體來說線速度對(duì)殘余應(yīng)力影響不大。從圖3（b）可以看出，在參數(shù)選取范圍內(nèi)，隨著進(jìn)給量增加，平行進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力絕對(duì)值先增大再減小，而垂直進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力絕對(duì)值先減小再增大。從圖3（c）可以看出，隨著切深的增加，殘余應(yīng)力變化不大。

圖3 銑削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響Fig.3 Influence of cutting parameters on residual stress

4 結(jié)論

（1）在TB6鈦合金銑削過程中，線速度對(duì)粗糙度的影響呈非線性趨勢(shì)，線速度在低于40m/min或高于100m/min時(shí)均可得到較低的粗糙度值、進(jìn)給量是影響粗糙度的主要因素，隨著每齒進(jìn)給量fz由0.04mm/z逐漸上升到0.12mm/z的過程中，粗糙度Ra持續(xù)上升，最后達(dá)到了0.45μm。所以，在工廠加工過程中，應(yīng)選取低于40m/min或者高于100m/min的線速度，并且進(jìn)給量應(yīng)該盡可能選低。

表5 參數(shù)選取及殘余應(yīng)力測(cè)試值

（2）隨著線速度的增大，硬化率呈逐步下降趨勢(shì)，而硬化層深度則先保持基本平穩(wěn)，然后下降的趨勢(shì)。進(jìn)給量增大會(huì)使硬化程度略微增加。而切深的變化對(duì)加工硬化影響并不明顯。

（3）在TB6銑削過程中，已加工表面均呈現(xiàn)出壓應(yīng)力狀態(tài)，這說明刀具后刀面與已加工表面的擠光效應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用。

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