王晨羽,徐碧聰,顏世晶,李金泉

(沈陽理工大學 機械工程學院,沈陽 110159)

切削加工后所得到的表面,存在著微觀幾何偏差和表面層的機械性能變化,對零件的使用壽命及可靠性都有顯著的影響。周培培等[1]通過鈦合金(TA15)外圓車削加工得出改變進給量時,表面粗糙度近似成線性正比關系。李登萬等[2]通過鈦合金車削實驗,研究了切削參數(shù)對表面粗糙度的影響,結(jié)果表明,進給量對表面粗糙度影響最明顯,切削速度影響最小。羅永新等[3]采用數(shù)控車削鋁合金的方式研究刀具幾何角度對表面粗糙度的影響,試驗結(jié)果表明,刀具幾何參數(shù)對表面粗糙度影響不大。Sujan等[4]用田口直角表設計試驗,研究了切削液和切削用量對表面粗糙度和刀具磨損的作用,結(jié)果表明,進給量對表面粗糙度的影響占主導,然后為冷卻液。N.Elmagrabi等[5]采用單因素實驗方法研究了銑削速度等于77.5m/min時涂層硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金(TC4)的表面完整性,結(jié)果表明,表面粗糙度隨切削速度的增大而增大。A.Thakur等[6]通過切削Inconel 825試驗,將已加工表面和亞表面分成白層、塑性變形區(qū)和基體材料三部分,指出白層厚度隨著切削速度增加而變厚,顯微硬度隨切削速度的增加先變大后減小。耿國盛等[7]對鈦合金材料工件進行高速銑削加工試驗,研究表層微觀組織結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)高速銑削鈦合金工件時表層微觀組織結(jié)構(gòu)變化不明顯。TA2容易成形,抗腐蝕性好,易于焊接,性能優(yōu)良,屬于α類工業(yè)純鈦,在水中或污染嚴重的脫氧水或半堿水中也可保持鈍化,為船舶海水管系中普遍采用的材料[8],因此,本文針對TA2材料研究切削過程加工表面三維形貌變化情況。

1 試驗方案

采用CA6140進行切削試驗,試驗材料為工業(yè)純鈦TA2,退火態(tài),化學成分如表1所示。試樣長度為300mm,直徑為90mm,沿長度方向分成若干段,采用切削速度和切深不變,改變進給量的單因素實驗法,試驗方案如表2所示。試驗刀具為山特維克公司生產(chǎn)的涂層硬質(zhì)合金刀具,刀桿牌號SCLCR2525M09,刀片牌號CCMT09T3 08-MF1105,刀片的主偏角kr=95°,刃傾角λs=0°,前角γ0=0°,后角α0=7°,刀尖圓弧半徑rε=0.8mm。車削完畢對圓弧加工表面進行線切割,獲取觀察試樣,采用金相顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡(LSM700)對線切割得到的已加工表面分別進行金相觀察及三維形貌測量。

表1 材料化學成分 wt/%

表2 TA2的單因素試驗方案

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 隨進給量變化的表面形貌特性

圖1為TA2 在Vc=97mm/min,ap=0.2mm,進給量分別為f=0.1mm/r和f=0.3mm/r時的加工表面金相圖。

圖1 TA2表面形貌圖

圖1a中的十條溝紋之間的寬度約為1001μm,平均一個溝紋的寬度約為0.100mm,車刀的進給量為0.1mm/r;圖1b中的五條溝紋之間的寬度約為1502μm,平均一個溝紋的寬度約為0.300mm,車刀的進給量為0.3mm/r。由此可知,圖1中每一道溝紋的寬度值約等于對應車刀的進給量。

2.2 TA2加工表面輪廓波形圖分析

圖2a、2b、2c、2d、2e分別為f=0.1mm/r、f=0.15mm/r、f=0.2mm/r、f=0.24mm/r、f=0.3mm/r,Vc=97mm/min,ap=0.2mm時已加工表面輪廓三維形貌圖和波形圖。表面輪廓波形圖為表面輪廓三維形貌圖上所示縱截面的二維投影。X方向坐標可反映每一個相鄰波峰、波谷之間的距離,Y方向表示試樣寬度,Z方向坐標值反映了加工表面波峰、波谷之間高度差變化情況。

圖2 TA2表面輪廓三維形貌和波形隨進給量變化圖(VC=97mm/min,ap=0.2mm)

不同的切削用量下三維形貌測得各參數(shù)指標如表3所示。算術平均高度表示在基準長度上的絕對值的平均值;輪廓曲線要素的平均高度表示在基準長度上輪廓曲線要素的高度平均值(輪廓曲線要素是指將相鄰的波峰和波谷作為一組數(shù)據(jù));高度的均方根是均方平均數(shù),更能準確反映表面高度的綜合情況;最大截面高度表示在評估長度上的輪廓曲線中,最高峰的高度與最深谷的深度之和;“基準長度”是通過從輪廓曲線抽取一定長度來求取粗糙度參數(shù);“評估長度”是指為求取粗糙度參數(shù)而從輪廓曲線抽取一定長度后剩下的部分;通常評估長度為基準長度的5倍。如圖2a,當進給量為0.1mm/r時,最大峰高度為2.412μm,最大谷深度為3.065μm;圖2b,當進給量為0.15mm/r時,最大峰高度為3.884μm,最大谷深度為4.821μm;圖2c,當進給量為0.2mm/r時,最大峰高度為6.971μm,最大谷深度為5.807μm;圖2d,當進給量為0.24mm/r時,最大峰高度為11.291μm,最大谷深度為9.232μm;圖2e,當進給量為0.3mm/r時,最大峰高度為10.848μm,最大谷深度為12.457μm。由此可以看出,圖2所示的表面輪廓三維波形中,由于最大峰高度和最大谷深度都隨進給量的增大而增大,所以在評估長度上最大峰高度和最大谷深度之和—最大截面高度也隨之增大,因此導致表面輪廓波形圖波動越大。以上這些參數(shù)及偏度、最大高度和波長平均峰度,從不同角度反映了三維形貌圖表面情況。由表3可知,幾乎所有這些參數(shù)值均隨進給量的增大而增大,說明加工表面輪廓波形隨進給量的增大波動逐漸加劇,表面粗糙度隨之增加,表面質(zhì)量惡化。

車削過程中,刀具沿軸向方向做進給運動,同時工件旋轉(zhuǎn),車刀刀刃必然會在加工表面留下類似螺旋線形狀的溝痕,出現(xiàn)犁壟現(xiàn)象,軸向進給量相當于螺距,因此,每兩個沿主切削運動方向走向的相鄰波峰波谷之間的間距近似為進給量大小。進給量越大,相鄰波峰波谷之間的間距也越大,車削痕跡越寬,表面越粗糙。

當進給量增加時,刀具在軸向的切削厚度和切削面積增加,切削力變大,刀具刀刃與工件表面摩擦作用變大,使刀尖與工件之間已經(jīng)調(diào)好的相對位置發(fā)生微量改變;另外,由殘留面積最大高度理論公式Rmax=f2/8rε[9]可知,在刀具圓弧半徑rε已確定的情況下,隨著進給量f增大,殘留面積高度也增大,因此,表面三維形貌中Z方向波動越來越大。各種參數(shù)值隨進給量的增大而增大,加工表面越來越粗糙。

表3 TA2加工表面輪廓波形測量數(shù)據(jù) μm

3 結(jié)論

由本實驗可知,在切削速度和切削深度不變的情況下:

(1)表面形貌中每一條波紋的寬度都約等于進給量的大小;

(2)表面溝壑的寬度、表面輪廓三維波形的波動程度都隨進給量的增大而增大,可通過降低進給量來降低表面形貌波動情況,提高表面質(zhì)量。