王 勝, 劉文軍, 周明安, 張玉賢, 顧怡紅,2, 余文利,2

(1. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 衢州 324000) (2. 浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 杭州 310027)

TC4(Ti-6Al-4V)是典型的α+β 型鈦合金，具有韌性好、強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕、抗蠕變等良好性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天及工作環(huán)境較為特殊的重要零部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、壓縮機(jī)盤、潛艇葉片、航空動(dòng)力機(jī)外殼及其他結(jié)構(gòu)件上[1-2]。

高速銑削的TC4工件表面質(zhì)量是指在一定的加工條件下，其金屬表面的微觀幾何特征和材料組織特性及其改變規(guī)律等[2]。 工件的平面度、平行度、表面形貌、表面粗糙度、表面顯微硬度及表面殘余應(yīng)力等是其表面質(zhì)量與工件力學(xué)性能中非常重要的指標(biāo)，加工參數(shù)等對(duì)其有直接影響[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)TC4鈦合金材料工件的切削進(jìn)行了大量的理論及試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)了加工工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金加工質(zhì)量仿真、彈塑性變形、顯微硬度與殘余應(yīng)力等的影響規(guī)律。王沁軍等[4]以材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，建立加工工藝優(yōu)選模型，采用PCBN刀具對(duì)TC4工件進(jìn)行銑削得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合，大幅提高了其表面加工質(zhì)量。王曉明等[5]運(yùn)用極差分析法建立TC4鈦合金表面粗糙度模型，并進(jìn)行高速銑削加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了其表面粗糙度模型的有效性。馮毅雄等[6]建立了壓制TC4過(guò)程的數(shù)學(xué)回彈模型，并進(jìn)行多工序壓制參數(shù)優(yōu)化流程試驗(yàn)，驗(yàn)證了其工藝參數(shù)與方法的正確性和有效性。羅學(xué)全等[7]以鈦合金為試驗(yàn)材料，用PVD刀具進(jìn)行高速銑削加工，分析了刀具磨損與鈦合金表面加工質(zhì)量的影響規(guī)律。劉戰(zhàn)鋒等[8]采用ANSYS有限元軟件，分析了鈦合金在深孔鉆削加工過(guò)程中，刀具的幾何參數(shù)與加工系統(tǒng)對(duì)孔內(nèi)壁加工精度與排屑的影響。李體仁等[9]以有限元分析軟件與金屬切削理論為基礎(chǔ)，對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行銑削分析與研究，分析了銑削三要素對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。CHE-HARON等[10]結(jié)合TC4鈦合金高速車削加工的表面硬度值，判定其工件表面加工硬化區(qū)與質(zhì)量變化急劇區(qū)的深度約為70 μm。HUGHES等[11]在高速銑削 TC4 鈦合金試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：工件銑削過(guò)程中的表面損傷在表層以下60 μm 范圍內(nèi)，且工件表面的顯微硬度遠(yuǎn)低于材料基體硬度。

隨著先進(jìn)制造業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品的表面加工質(zhì)量越來(lái)越受到重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，航空航天結(jié)構(gòu)件中由鈦合金材料制備的主要零部件，80%的表面有磨損和結(jié)構(gòu)損傷，除了部分是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷與材料處理不當(dāng)引起的，其余部分都是由產(chǎn)品表面質(zhì)量精度不夠引起的，而其中的表面粗糙度是影響其表面加工質(zhì)量的最主要因素之一[12]。

針對(duì)TC4鈦合金材料在PCD刀具高速銑削加工過(guò)程中的工藝參數(shù)變化對(duì)其表面質(zhì)量影響的相關(guān)研究成果不多。為提高鈦合金零件加工的表面質(zhì)量與綜合性能，用PCD刀具高速、高精度銑削鈦合金試件，研究銑削工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量和力學(xué)性能的影響。

1 銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

銑削試驗(yàn)材料為常規(guī)熱處理后的TC4鈦合金，規(guī)格80 mm×80 mm×45 mm，其化學(xué)成分如表1所示。熱處理工藝為：經(jīng)930 ℃固溶1 h后水冷；之后在500 ℃保溫4 h，空冷[13]。經(jīng)上述熱處理工藝后，TC4鈦合金的室溫力學(xué)性能如表2所示。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分

表2 TC4鈦合金室溫力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

采用逐步增加切削速度和每齒進(jìn)給量的方法進(jìn)行銑削試驗(yàn)，研究工藝參數(shù)變化對(duì)工件表面質(zhì)量、表面硬度和殘余應(yīng)力等的影響規(guī)律，得出銑削最佳工藝參數(shù)組合。設(shè)定的數(shù)控銑削工藝參數(shù)如表3所示。

表3 銑削加工工藝參數(shù)

由于數(shù)控銑削程序中的切削速度通常與每齒進(jìn)給量fz存在如下關(guān)系：

v=fz×M×k

(1)

其中：v為切削速度，mm/min；fz為實(shí)際加工時(shí)的每齒進(jìn)給量；M為銑刀齒數(shù)；k為主軸轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)中將主軸轉(zhuǎn)速k設(shè)為定值16 000 r/min[14]。因此，切削速度v由每齒進(jìn)給量fz決定。

1.3 銑削平臺(tái)

在大連機(jī)床FANUCoi系統(tǒng)B50立式五軸加工中心上，按照規(guī)范的裝夾定位原理，將試件固定于高精密臺(tái)虎鉗中，并利用高精度面銑刀對(duì)試件待加工表面進(jìn)行初銑，以確保銑削的基準(zhǔn)面精度；對(duì)初銑后的試件，利用臺(tái)灣SUMEK PCD 2齒立銑刀進(jìn)行高速銑削加工，銑刀直徑φ12 mm，螺旋角45°。高速銑削過(guò)程采用煤油潤(rùn)滑切削液進(jìn)行冷卻，如圖1所示。

1.4 試件表面質(zhì)量與性能測(cè)試

將試件在溫度為(22±1) ℃的環(huán)境內(nèi)靜置24 h后進(jìn)行性能檢測(cè)[14]，試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 數(shù)字化測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)

試件的平面度、平行度采用型號(hào)為Daisy8106的球頭式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)合INCA3D檢測(cè)軟件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)觸針采集角度垂直于工件表面，測(cè)頭直徑φ1 mm。表面粗糙度采用日本三豐CV3200型觸針式表面粗糙度儀測(cè)量，檢測(cè)時(shí)設(shè)置取樣長(zhǎng)度為2.5 mm，評(píng)定長(zhǎng)度為12.5 mm，測(cè)量方向平行于試件已加工平面。試件表面顯微硬度使用型號(hào)為FM-700的自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量，加載載荷300 g，保壓時(shí)間15 s。試件表面形貌和刀具磨損形貌用國(guó)產(chǎn)SEM-3200掃描電子顯微鏡測(cè)量。試件表面殘余應(yīng)力用IXRD便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀測(cè)量，測(cè)量時(shí)的管電壓為18 kV，管電流為3 mA，衍射角度為129.36°[15-16]，測(cè)量方向平行于試件平面。

2 銑削試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對(duì)工件平面度的影響

在表3條件下，工件銑削后的平面度測(cè)量結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：9組銑削試驗(yàn)中，平面度最低值出現(xiàn)在第4組，為0.26 μm；而第9組的平面度值最大，為3.13 μm，且其銑削參數(shù)與第4組的區(qū)別較大。同時(shí)，第1、2、3組和第4、5、6組及第7、8、9組這3大組同為每組每齒進(jìn)給量相同但切削深度不同，可看出隨切削深度增加，其平面度都隨之變大且變化的趨勢(shì)相同；在平面度較小的第1組、第4組和第7組工藝參數(shù)中，第4組的平面度值最小，而每齒進(jìn)給量居中，可知平面度與每齒進(jìn)給量的關(guān)系不太密切。因此，我們認(rèn)為每齒進(jìn)給量對(duì)平面度的影響較小，而切削深度的影響較大。

圖3 銑削參數(shù)對(duì)平面度的影響

綜合起來(lái)，要控制工件的平面度，切削深度要小，同時(shí)需要結(jié)合每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行綜合設(shè)置。選擇第4組的工藝參數(shù)加工鈦合金，其平面度最低。

2.2 對(duì)工件平行度的影響

圖4 銑削參數(shù)對(duì)平行度的影響

在表3條件下，工件銑削后的平行度測(cè)量結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：9組銑削試驗(yàn)中，平行度低值出現(xiàn)在第4組和第7組，但最低值是第4組的，為0.64 μm；且圖4的平行度變化趨勢(shì)與圖3的平面度變化趨勢(shì)相同。因此，對(duì)工件平行度影響的因素也與圖3類似，即切削深度是影響工件平行度的主要因素。所以，在PCD刀具銑削TC4鈦合金時(shí)，第4組工藝參數(shù)能得到最佳的銑削平行度效果。

2.3 對(duì)工件表面粗糙度的影響

圖5給出了表3條件下工件銑削后的表面粗糙度測(cè)量結(jié)果。由圖5可知：9組試驗(yàn)中，第3組、第5組、第6組和第9組這4組的表面粗糙度Ra值較大，其中最大的在第3組，為4.15 μm；且這4組的每齒進(jìn)給量在0.03～0.10 mm/z變化時(shí)，均存在0.4～0.6 mm的較大切削深度。從圖5還可知：表面粗糙度較低值出現(xiàn)在第2組、第4組和第7組，其中最低的值在第4組，為0.63 μm；而這3組在每齒進(jìn)給量0.03～0.10 mm/z變化時(shí)，均存在0.2～0.4 mm的較小切削深度。由此可知：PCD刀具銑削鈦合金時(shí)工件的表面粗糙度對(duì)切削深度較為敏感，基本上隨切削深度增加而增大。所以，在第4組參數(shù)組合下銑削工件，其切削深度最小，表面粗糙度值最小，試件表面質(zhì)量最好。

圖5 銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

2.4 對(duì)工件表面形貌的影響

在表3條件下，工件銑削后的表面宏觀形貌如圖6所示。觀察圖6中9組條件下的TC4工件被加工表面，發(fā)現(xiàn)第4、5、6組條件下的工件表面形貌最好，其表面光滑、劃痕較少。再結(jié)合圖3、圖4和圖5得到的工件表面平面度、平行度及表面粗糙度結(jié)果，可知第4組加工條件下的TC4工件表面質(zhì)量最好、表面形貌最佳，因此要選擇第4組工藝參數(shù)來(lái)銑削TC4工件。

圖6 銑削參數(shù)對(duì)TC4工件表面形貌的影響

2.5 對(duì)刀具磨損形貌的影響

選擇第4組工藝參數(shù)，采用煤油冷卻潤(rùn)滑方式，用PCD金剛石銑刀循環(huán)銑削TC4工件150次(總時(shí)間43.75 min)，完成后觀察刀具的磨損情況，如圖7所示。

圖7 銑削參數(shù)對(duì)PCD刀具磨損形貌的影響

從圖7可以看出：加工TC4工件150次后，銑刀的刀刃1和刀刃2的刀尖處出現(xiàn)少量磨鈍現(xiàn)象，這是由于刀尖處的強(qiáng)度比其他部位的強(qiáng)度稍低；同時(shí)，刀刃1與刀刃2的后角區(qū)也出現(xiàn)少量磨鈍現(xiàn)象，但刀刃本體未出現(xiàn)磨鈍痕跡。原因是切屑與刀具后刀面不斷摩擦產(chǎn)生切削熱，產(chǎn)生的熱軟化作用降低了刀具的強(qiáng)度，使刀具表層組織出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，造成了刀具后刀面的少量磨損。但刀具的這種磨損尚處于初期磨損向正常磨損發(fā)展的階段，且加工工件43.75 min后的刀具只出現(xiàn)如此少的正常磨損情況，表明刀具加工TC4工件時(shí)的耐用度較好且使用壽命較長(zhǎng)[17]。

2.6 對(duì)工件表面顯微硬度的影響

對(duì)TC4而言，其表面硬度主要由加工區(qū)域的塑性變形與實(shí)際切削區(qū)的切削熱上升導(dǎo)致的熱軟化效應(yīng)共同決定。在表3條件下，工件銑削后的表面顯微硬度結(jié)果如圖8所示。從圖8看出：在每齒進(jìn)給量固定而切削深度逐漸增加的情況下(分別是第1、2、3組和第4、5、6組以及第7、8、9組)，工件表面硬度階梯式下降；反過(guò)來(lái)，在切削深度固定而每齒進(jìn)給量逐漸增加的情況下(分別是第1、4、7組和第2、5、8組以及第3、6、9組)，工件的表面顯微硬度值也隨每齒進(jìn)給量的增加而下降。因此，TC4高速銑削過(guò)程的工件表面顯微硬度同時(shí)對(duì)切削深度和每齒進(jìn)給量敏感。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)榍邢魃疃群兔魁X進(jìn)給量增加，產(chǎn)生的熱量增加，熱軟化效應(yīng)增強(qiáng)，使得工件的被加工表面顯微硬度下降。

圖8 銑削參數(shù)對(duì)表面顯微硬度的影響

從圖8還可看出：第1組參數(shù)下的工件表面硬度最高，為3 260 N/mm2，第9組參數(shù)下的硬度最低，為2 600 N/mm2。第1組的切削深度和每齒進(jìn)給量參數(shù)最小，熱軟化效應(yīng)最小，所以工件的表面硬度接近于工件未加工前的硬度；而第9組的工藝參數(shù)值最高，故熱效應(yīng)最大，工件的表面硬度也降到最低。

綜合考慮，加工工件時(shí)既要保持硬度，又要有加工速度，故選擇第4組參數(shù)最合適。一方面加工后其硬度值為3 080 N/mm2，與第1組的3 260 N/mm2比下降不多，另一方面又有一定的切削深度和較大的每齒進(jìn)給量，能保證工件的加工效率。

2.7 對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響

在表3條件下，工件銑削后的表面殘余應(yīng)力如圖9所示。對(duì)TC4而言，工件表面的殘余應(yīng)力也主要由工件高速銑削過(guò)程的塑性變形與銑削熱共同決定。由圖9可知：工件表面的殘余應(yīng)力全為壓應(yīng)力(負(fù)值)，且在固定每齒進(jìn)給量時(shí)隨切削深度增加，應(yīng)力絕對(duì)值逐漸減小(分別是第1、2、3組和第4、5、6組以及第7、8、9組)。同時(shí)，固定切削深度而每齒進(jìn)給量增加時(shí)，壓應(yīng)力絕對(duì)值也是逐漸減小的(分別是第1、4、7組和第2、5、8組以及第3、6、9組)。應(yīng)力絕對(duì)值較小的組為第3、6、9組，其中第9組的應(yīng)力絕對(duì)值最小，為50 MPa，且彼此的應(yīng)力檢測(cè)值在-110～-50 MPa，差值較?。欢?、4、7組的應(yīng)力絕對(duì)值較大，但殘余應(yīng)力檢測(cè)值在-260～-240 MPa，差值也較小；第2、5、8組的應(yīng)力值居中。

圖9 銑削參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

綜合來(lái)看，工件表面的殘余壓應(yīng)力對(duì)切削深度較為敏感。原因是切削深度較小時(shí)，刀具高速切削工件的切深較小，工件的塑性變形量較小，熱效應(yīng)的影響也小，工件表面保持原有的較大殘余應(yīng)力；當(dāng)切削深度逐漸增大時(shí)，工件的切削變形量逐漸增大，加工區(qū)的切削熱迅速上升，此時(shí)切削熱對(duì)殘余應(yīng)力的影響占主導(dǎo)，工件的表面殘余應(yīng)力值整體穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)。而對(duì)TC4鈦合金來(lái)說(shuō)，工件高精加工后其表面殘余一定的壓應(yīng)力，對(duì)裂紋萌生和零件斷裂起抑制和延遲作用，且存在的殘余壓應(yīng)力可提高TC4鈦合金工件的抗疲勞性能，對(duì)提高工件的綜合耐用度是有益的[18]。

因此，對(duì)工件進(jìn)行銑削加工時(shí)，既要保持其高精度、高質(zhì)量的加工要求，又要其保持一定的硬度，提高工件的綜合抗疲勞性能，故選擇第4組參數(shù)最合適。一方面，加工后TC4鈦合金試件的平面度、平行度及表面粗糙度最小，能達(dá)到高效、高質(zhì)量的加工效果；另一方面，選擇第4組參數(shù)進(jìn)行加工后，工件的殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值較大，表面顯微硬度適中。

3 結(jié)論

用2刃PCD刀具銑削TC4鈦合金，獲得的銑削最佳工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速v=16 000 r/min，切削深度ap=0.2 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.06 mm/z。在此參數(shù)下加工TC4鈦合金工件的PCD銑刀耐用度與使用壽命較長(zhǎng)，工件的表面質(zhì)量與形貌較好，其平面度為0.26 μm，平行度為0.64 μm，表面粗糙度Ra為0.63 μm，表面顯微硬度為3 080 N/mm2，表面殘余應(yīng)力為-250 MPa。