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        高速銑削TC21鈦合金的加工表面完整性分析

        2016-07-25 01:22:40
        環(huán)球市場 2016年22期
        關(guān)鍵詞:鈦合金粗糙度刀具

        冀 翔

        沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

        高速銑削TC21鈦合金的加工表面完整性分析

        冀 翔

        沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

        鈦合金總產(chǎn)量的約80%用于航空航天領(lǐng)域,主要用來制造機(jī)身的結(jié)構(gòu)部件、航空發(fā)動機(jī)零部件、起落架、液壓系統(tǒng)等。鈦合金在加工中切削效率低、刀具磨損嚴(yán)重、尺寸精度和表面質(zhì)量差。因此,在保證刀具耐用度和加工質(zhì)量的前提下,發(fā)展高材料去除率的機(jī)械加工技術(shù)迫在眉睫。本文分析了銑削用量和刀具磨損對加工質(zhì)量的影響,為鈦合金的加工工藝提供數(shù)據(jù)支持。

        鈦合金加工;刀具磨損

        表面完整性是指已加工表面的表面紋理和表面層冶金質(zhì)量,又稱表面層質(zhì)量。表面紋理主要包括表明粗糙度、表面波紋度、刀紋方向、宏觀裂紋、折皺和撕裂等;表面層冶金質(zhì)量主要包括顯微結(jié)構(gòu)變化、再結(jié)晶、晶間腐蝕、顯微裂紋、塑性變形、殘余應(yīng)力、合金貧化等,表面層是指受加工影響而在零件表面下一定深度處產(chǎn)生的受擾材料層,表面層的深度通常僅為百分之幾毫米,只有在特殊的加工條件下深度可達(dá)0.3mm左右。

        切削工藝會影響到最終成品零件的表面完整性,加工過程中的切削力和高溫環(huán)境的共同作用會導(dǎo)致零件微觀結(jié)構(gòu)的改變,進(jìn)而引起顯微硬度,晶界塑性變形,以及零件表面下的殘余應(yīng)力的變化,這些最終會導(dǎo)致零件變形或降低其的疲勞壽命。鈦合金零件的表面完整性對其疲勞強(qiáng)度具有巨大的影響,表面的加工缺陷是疲勞裂紋導(dǎo)致零件失效的主要誘發(fā)源,在銑削加工中,這些缺陷主要有表面粗糙度、加工變質(zhì)層等。

        1.銑削用量和刀具磨損對表面粗糙度的影響

        表面粗糙度是零件微觀幾何形狀誤差的表現(xiàn),其大小主要影響零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性、接觸剛度以及配合性質(zhì)的穩(wěn)定性等。在加工過程中,由于刀具與已加工表面的摩擦,切削擠壓的塑性變形,以及工藝系統(tǒng)的高頻振動等因素的相互作用,使已加工表面產(chǎn)生微觀幾何變形。本次試驗主要考察表面粗糙度受銑削用量和刀具磨損狀態(tài)的影響。

        圖1.1a和圖1.1b為在銑削TC21時銑削速度對表面粗糙度的影響。在常規(guī)銑削時所用的其他銑削用量為:

        fz=0.1mm/z,αe=2mm,αp=3mm;在高速銑削時所用的其他銑削用量為:fz=0.1mm/z,αe=1mm,αp=3mm。由圖可見,表面粗糙度值無論是在垂直于進(jìn)給方向還是平行于進(jìn)給方向,總體上都呈現(xiàn)隨銑削速度升高而略有減小的趨勢,即隨著切削速度的提高,表面粗糙度呈下降的趨勢。高速時的表面粗糙度比低速時的略小,但在試驗用速度范圍內(nèi)的表面粗糙度都滿足切削加工的要求。

        圖1.1c和圖1.1d為刀具磨損VB=0.27mm時銑削TC21的表面粗糙度隨銑削速度的變化曲線。試驗所用銑削用量同上。由圖可見,表面粗糙度隨銑削速度增加并沒有單調(diào)增加或減小的規(guī)律,與圖1.1a和圖1.1b相比,當(dāng)?shù)毒吣p發(fā)展到一定程度時,表面粗糙度值與采用新刀具加工所得的表面粗糙度值已經(jīng)不在一個數(shù)量級上,顯然,刀具磨損對表面粗糙度的影響深遠(yuǎn)。

        2.銑削用量和刀具磨損對工件表面加工硬化的影響

        加工硬化是指隨著冷變形程度的增加,金屬材料的強(qiáng)度和硬度都有所提高,但塑性和韌性有所下降。加工硬化發(fā)生時,晶粒發(fā)生滑移,出現(xiàn)位錯纏結(jié),晶粒被拉長、破碎和纖維化,從而引起被加工表層材料脆而硬,進(jìn)一步加速刀具磨損、增大切削力等,最終不利于切削加工的順利進(jìn)行。

        圖1.1 銑削速度對表面粗糙度的影響

        圖2.1a和圖2.1b為在銑削TC21時銑削速度對工件表面加工硬化的影響。由圖可見,無論是常規(guī)銑削還是高速銑削,都沒有明顯的加工硬化層(白層)出現(xiàn),銑削速度的提高不會對材料的加工硬化產(chǎn)生顯著的影響。通常認(rèn)為,一方面切削速度提高引起的溫升有助于冷硬的回復(fù);另一方面切削速度提高使刀具和工件的接觸時間變短,塑性變形程度減小,這兩負(fù)面的原因會導(dǎo)致工件材料硬度降低,然而,切削速度的提高會加劇刀具的磨損,惡化刀具與工件的擠壓與摩擦狀況,容易導(dǎo)致工件表面層材料硬化,綜合因素的影響下,隨銑削速度的提高對工件表面加工硬化的影響并不顯著。相反可見,在銑削速度為30m/min和50m/min時,工件表面的顯微硬度值要比工件材料基體的顯微硬度值略低,這一結(jié)論與之前一些研究學(xué)者的所得的結(jié)果一致,即切削加工不僅會導(dǎo)致工件材料的硬化,而且還會引起工件材料的軟化。

        圖2.1 銑削速度對工件表面加工硬化的影響

        圖2 .1c和圖2.1d為不同的刀具磨損狀態(tài)(VB≈0.3mm)采用與圖1.1c和圖1.1d相同銑削速度時的工件表面加工硬化隨銑削速度的變化曲線。與圖1.1c和圖1.1d相比,當(dāng)?shù)毒吣p到一定程度時,工件表面的顯微硬度值總體上略有升高,但都在基體材料顯微硬度值范圍內(nèi)。

        在試驗中采用三種硬質(zhì)合金刀片,分別為:①無鍍層硬質(zhì)合金ISO標(biāo)準(zhǔn)的K10;②無鍍層細(xì)晶粒硬質(zhì)合金ISO標(biāo)準(zhǔn)的K40;③鍍層硬質(zhì)合金ISO標(biāo)準(zhǔn)的N15。這三種刀片具有相同的幾何參數(shù)。當(dāng)VB<0.1mm時,三種刀具材料所得的銑削力沒有太大區(qū)別。當(dāng)VB>0.1mm時,采用K40和N15的銑削力要比使用K10高出很多,顯然,細(xì)化刀具材料的晶粒和使用涂層并不利于降低銑削力銑削力。當(dāng)后刀面平均磨損量達(dá)到0.25mm時,采用K10銑削TC21,銑削力為2200N,而采用K40和N15銑削時,銑削力分別為3300N和2700N,從銑削力的試驗結(jié)果來看,刀片K10更適用于銑削TC21。

        結(jié)論

        通過試驗研究了銑削用量、刀具磨損和刀具材料對銑削力的影響,隨著銑削用量的增加銑削力呈現(xiàn)不同程度的增加。進(jìn)一步了解到刀具磨損對銑削力的影響也比較顯著。最后分析了幾種不同牌號刀具的刀具耐用度和刀具磨損狀態(tài),相較于N15和K40而言,K10更適合銑削加工TC21鈦合金且具有經(jīng)濟(jì)性。

        [1]黃旭,朱知壽,王紅紅.先進(jìn)航空鈦合金材料與應(yīng)用.北京:國防工業(yè)出版社,2012.

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