孫富建 屈盛官 鄧朝暉 李小強(qiáng)

（1 湖南科技大學(xué)智能制造研究院，湘潭 411201）（2 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

鈦合金零件的難加工降低了其生產(chǎn)效率，粉末冶金工藝能夠減少、甚至無(wú)需機(jī)械切削加工［1］，因此其應(yīng)用能夠明顯提高鈦合金零件的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。粉末冶金工藝的技術(shù)特點(diǎn)導(dǎo)致粉末冶金材料具有不同于常規(guī)工藝方法制備材料的屬性，如不能達(dá)到完全致密化，內(nèi)部存在殘余微孔隙；以Ti－6Al－4V合金為例，顯微結(jié)構(gòu)常為粗大的α相和少量的β相組成［2］。然而粉末冶金技術(shù)難以制備較大工件，目前對(duì)于粉末冶金材料切削加工性能的研究鮮見(jiàn)。

工件表面粗糙度作為材料切削加工性能的重要指標(biāo)之一，受到切削參數(shù)的影響，對(duì)工件表面粗糙度的研究能夠全面地了解材料的切削加工性能［3］，同時(shí)工件表面粗糙度的研究對(duì)提高鈦合金工件的服役壽命起到重要的作用［4］。 本文對(duì)比分析 Ti－6Al－4V鍛件的表面形貌和表面粗糙度，深入研究Ti－6Al－4V合金粉末冶金材料的表面形貌和表面粗糙度，為T(mén)i－6Al－4V粉末冶金材料的實(shí)際加工生產(chǎn)應(yīng)用提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與儀器設(shè)備

利用熱等靜壓工藝制備Φ40 mm×100 mmTi－6Al－4V 粉末冶金材料（PMM）棒材。 Ti－6Al－4V 鍛件（FM）與PMM的力學(xué)性能見(jiàn)表1，其微觀組織結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。FM的微觀結(jié)構(gòu)為網(wǎng)籃組織，熱等靜壓工藝過(guò)程中較高的溫壓導(dǎo)致預(yù)合金粉末中的馬氏體相全部轉(zhuǎn)化為較為粗大的α相和少量的晶間β相，并且由于熱等靜壓材料不能達(dá)到完全致密化，因此材料內(nèi)部存在一定含量的殘余微孔隙。

CKA6150i數(shù)控車(chē)床，大連機(jī)床廠制造；Nova Nanosem掃描電子顯微鏡和手持式TR200粗糙度測(cè)量?jī)x，均為荷蘭生產(chǎn)。

圖1 Ti－6Al－4V FM和PMM的顯微組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of Ti－6Al－4V FM and PMM

1.2 試樣制備

Ti－6Al－4V預(yù)合金粉末作為原材料，選用同時(shí)升溫升壓的熱等靜壓參數(shù)930℃／120 MPa／3 h來(lái)制備Φ40 mm×100 mm的PMM棒材。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金粉末作為制備刀具基體的原材料，選用化學(xué)氣相沉積法制備刀具表面的涂層材料（AlTi）N，刀桿為MCL?NR2020K12，切削過(guò)程中刀具的幾何角度為前角－6°、后角 5°、主偏角 95°和副偏角 5°。

1.3 試驗(yàn)方法

采用無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)冷卻切削FM和PMM工件，建立表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式，采用三因素三水平L9（34）的正交試驗(yàn)（表2）。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Orthogonal test factor level table

1.4 表面測(cè)試與表征

在切削速度60 m／min、進(jìn)給量0.10 mm／r和切削深度1.0 mm參數(shù)下切削兩種材料，利用電火花切割已加工工件制備10 mm×10 mm×10 mm的已加工工件表面形貌試樣，掃描電子顯微鏡被用來(lái)表征已加工工件的表面形貌，手持式TR200粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量已加工工件的表面粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 工件表面形貌

FM工件的表面形貌如圖2所示。在其材料切削過(guò)程中，工件表面可能出現(xiàn)進(jìn)給劃痕、切屑碎片和撕裂缺陷。進(jìn)給劃痕是切削本身的原理導(dǎo)致因而無(wú)法避免，并且隨著進(jìn)給量的增加進(jìn)給劃痕會(huì)變得更加明顯［5］。鈦合金較低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致切削過(guò)程形成較高的切削溫度，高切削溫度引起材料的化學(xué)活性提高，當(dāng)形成的切屑從刀具前刀面流過(guò)時(shí)工件材料粘結(jié)在刀具上。在切削過(guò)程中已加工工件表面與刀具刀尖、副切削刃產(chǎn)生一定的相互作用，引起刀具上的工件材料被撕裂，在已加工工件表面形成如圖2（b）所示的切屑碎片缺陷。另外，當(dāng)已加工工件表面與刀具刀尖、副切削刃相互作用時(shí)，刀具也可能撕裂已加工工件表面，從而在已加工工件表面形成如圖2（c）所示的撕裂缺陷。

圖2 已加工Ti－6Al－4V FM的表面形貌Fig.2 Surface morphology of machined Ti－6Al－4V FM

由于PMM的不完全致密化導(dǎo)致其內(nèi)部存在一定含量的殘余微孔隙。已加工Ti－6Al－4V PMM工件表面形貌如圖3所示。在PMM切削時(shí)，在已加工工件表面不僅會(huì)出現(xiàn)進(jìn)給劃痕、切屑碎片和撕裂缺陷，而且還會(huì)由于微孔隙的存在而引起的微孔隙缺陷。

圖3 已加工粉末冶金工件的表面缺陷Fig.3 Surface defects of machined PMM workpiece

2.2 工件表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)工件表面粗糙度與切削速度、進(jìn)給量和切削深度間的關(guān)系，工件表面粗糙度可用下式表示［6］：

式中，C為修正系數(shù)，p、q、m為常數(shù)。

為了把式（1）線(xiàn)性化，對(duì)其左右兩邊求對(duì)數(shù)，可以得到方程：

令 y＝lnRa、β0＝lnC、β1＝p、β2＝ q、β3＝ m、x1＝lnv、x2＝lnf、x3＝lnap，得到線(xiàn)性方程：

2.2.1 FM工件表面粗糙度數(shù)學(xué)模型建立

FM工件表面粗糙度正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 FM表面粗糙度的正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 FM surface roughness of orthogonal test results

利用MATLAB軟件編程計(jì)算，求出模型中相關(guān)參數(shù)，建立FM工件表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型：

由FM工件表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型可知，進(jìn)給量的增加引起切削力和切削溫度的增加量較大，從而導(dǎo)致進(jìn)給量的增加對(duì) FM表面粗糙度的影響作用最大［7］；FM表面粗糙度值隨著切削速度和切削深度的增加而均出現(xiàn)減小趨勢(shì)。

為了驗(yàn)證FM表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型是否能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)表面粗糙度值的變化情況，需要對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。回歸模型的F＝37.0934，相關(guān)系數(shù) R＝0.978 3，殘余方差 σ2＝0.002 6，因此 FM 表面粗糙度回歸模型的精度較高。

2.2.2 PMM工件表面粗糙度數(shù)學(xué)模型建立

PMM工件表面粗糙度的回歸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。利用MATLAB軟件編程計(jì)算，得到其表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型：

表4 PMM工件表面粗糙度的正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Orthogonal test results of surface roughness of PMM workpiece

從式（5）可以得到，表面粗糙度值隨著進(jìn)給量的增加而增加，隨著切削速度和切削深度的增加而降低。其中由于進(jìn)給量的增加使得切削力和切削溫度的增加幅度最大，使得刀具的磨損量較高，從而引起表面粗糙度值受到進(jìn)給量的影響作用最大。對(duì)于PMM而言，內(nèi)部存在的殘余微孔隙使形成的切屑背面出現(xiàn)一定量的微孔隙，在切屑與刀具前刀面的相互作用下，使得切屑背面的微孔隙撕裂刀具前刀面上黏結(jié)的工件材料，降低了刀具前刀面積屑瘤的高度，從而會(huì)引起切屑與刀具前刀面間的摩擦作用增強(qiáng)，提高了切削過(guò)程中的切削溫度，提高了工件材料的高溫軟化率，從而引起切削速度對(duì)工件表面粗糙度的影響作用增加。

對(duì)FMM工件表面粗糙度的顯著性檢驗(yàn)如下：回歸模型的 F＝10.250 7，相關(guān)系數(shù) R＝0.927 4，殘余方差σ2＝0.010 8，PMM 工件表面粗糙度值可以用式（5）進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

（1）FM工件表面出現(xiàn)了進(jìn)給劃痕、切屑碎片和表面撕裂缺陷，PMM內(nèi)部殘余微孔隙的存在導(dǎo)致已加工工件表面出現(xiàn)了除進(jìn)給劃痕、切屑碎片和表面撕裂之外的微孔隙缺陷。

（2）利用正交回歸試驗(yàn)建立了FM和PMM已加工工件表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。兩種材料已加工工件表面粗糙度值的數(shù)學(xué)模型顯著性高，回歸擬合程度高，回歸誤差較小，均可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)以加工工件表面粗糙度值的變化趨勢(shì)。

（3）FM和PMM工件表面粗糙度值均隨著切削速度和切削深度的增加而增加，隨著進(jìn)給量的增加而降低。對(duì)比切削速度對(duì)FM表面粗糙度值的影響，PMM工件表面粗糙度值受到切削速度的影響程度較小。

［1］ ROBERT－PERRON E，BLARIS C，THOMAS Y，et al.An integrated approach to the characterization of powder metallur?gy components performance during green machining［J］.Materials Science and Engineering，2005，402（1／2）：324－334.

［2］ XU L，GUO R P，BAI C G，et al.Effect of hot isostatic pressing conditions and cooling rate on microstructure and proper?ties of Ti－6Al－4V alloy from atomized powder［J］.Journal of Ma?terials Science ＆ Technology，2014，30（12）：1289－1295.

［3］ SUN J，GUO YB.A comprehensive experimental study on surface integrity by end milling Ti－6Al－4V［J］.Journal of Ma?terials Processing Technology，2009，209（8）：4036－4042.

［4］ RAMESH S，KARUNAMOORTHY L，PALANIKUMAR K.Measurement and analysis of surface roughness in turning of aerospace titanium alloy （gr5）［J］.Measurement，2012，45（5）：1266－1276.

［5］ GINTING A，NOUARI M.Surface integrity of dry ma?chined titanium alloy［J］.International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2009，49（3／4）：325－332.

［6］ DABNUM M A，HASHMI M S，EI－BARADIE M A.Surface roughness prediction model by design of experiments for turning machinable glass?ceramic（Macor） ［J］.Journal of Materi?als Processing Technology，2005，164－165（15）：1289－1293.

［7］ DA SILVA R B，VIEIRA.J M，CARDOSO R N，et al.Tool wear analysis in milling of medium carbon steel with coated cemented carbide inserts using different machining lubrication／cooling systems［J］.Wear，2011，271（9／10）：2459－2465.