銑削方式對(duì)鈦合金TB6加工硬化影響研究

李傳奇

(中國(guó)電子科技集團(tuán) 第八研究所，安徽 淮南 232001)

銑削方式對(duì)鈦合金TB6加工硬化影響研究

李傳奇

(中國(guó)電子科技集團(tuán) 第八研究所，安徽 淮南 232001)

摘要：鈦合金TB6屬高強(qiáng)高韌近β型鈦合金，具有良好的鑄鍛性和淬透性，目前應(yīng)用非常廣泛。通過順逆銑、新刀或磨損刀一次銑削和二次銑削試驗(yàn)，研究了鈦合金TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)加工硬化和加工硬化層深度。研究結(jié)果表明，用硬質(zhì)合金刀片銑削鈦合金TB6，順銑比逆銑加工硬化和加工硬化層深度小，新刀比磨損刀加工硬化小，新刀加工硬化層深度<25 μm，刀具磨損量VB=0.3 mm時(shí)，磨損刀加工硬化層深度最高可達(dá)81 μm，其二次銑削將導(dǎo)致已加工表面軟化。

關(guān)鍵詞：順銑與逆銑；刀具磨損；加工表面硬化；鈦合金TB6

鈦合金TB6屬高強(qiáng)高韌近β型鈦合金，因其良好的鑄鍛性和淬透性，已成為飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼、起落架、直升機(jī)中央件和旋翼連接件等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的重要材料。這些關(guān)鍵零件受力復(fù)雜，工作環(huán)境差[1]，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)性能的好壞，只有嚴(yán)格控制零件的加工表面質(zhì)量，才能確保零件的工作可靠性和使用壽命。加工硬化是決定零件表面性能的關(guān)鍵因素之一，對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕能力等有著重要影響。

鈦合金在銑削加工過程中塑性大，韌度高，加工硬化傾向大。C. F. Wyen等[2]在銑削鈦合金Ti-6Al-4V時(shí)，順銑對(duì)加工硬化影響較小，逆銑對(duì)加工硬化影響較大。M.B. Mhamdi利用球頭刀點(diǎn)銑加工鈦合金Ti-6Al-4V時(shí)，在接觸傾角為60°的情況下順、逆點(diǎn)銑，隨銑削速度增大，加工硬化總趨勢(shì)均降低，底銑時(shí)加工硬化影響稍大。范繼美等[3]在銑削鈦合金TAl5試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，顯微硬度值和硬化層深度都隨著刀具磨損的增大而增大；在刀具磨鈍前顯微硬度值和硬化層深度隨磨損狀態(tài)的影響不是很大，當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到了磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，顯微硬度值和硬化層深度都發(fā)生了很大的變化，加工硬化程度明顯惡化。J.Sun等通過非涂層和涂層刀具干銑鈦合金Ti-6242S試驗(yàn)，刀具磨損均增大試件表面加工硬化。C. H. Che-Haron等通過干車削Ti-6246試驗(yàn)，得到了刀具磨損大小對(duì)加工表面組織的影響，刀具磨損大導(dǎo)致表面層組織塑性變形大，形成白層硬化現(xiàn)象，刀具磨損小，出現(xiàn)非常小的硬化層。A. Daymi用SANDVIK涂層硬質(zhì)合金球頭刀具高速坡走銑鈦合金Ti-6Al-4V，不同坡傾角加工導(dǎo)致表面加工硬化不同，坡傾角越大加工硬化越嚴(yán)重，無坡傾角時(shí)加工硬化最大值為350 HV0.2，加工硬化層深度均<120 μm。陳建玲在銑削鈦合金Ti-6A1-4V時(shí)[4-5]，銑削因素的變化使己加工表面呈現(xiàn)不同程度的硬化，無論高速銑削還是低速銑削，顯微硬度沿距離表面深度變化的趨勢(shì)基本是一致的，都經(jīng)歷了表面強(qiáng)化→熱軟化→再度強(qiáng)化→趨于穩(wěn)定的過程。從上述研究成果可以看出，銑削加工方式和刀具磨損狀態(tài)對(duì)加工表面硬化及硬化層深度有直接影響；因此，研究順逆銑、新刀和磨損刀的一次銑削(刀刃第1次對(duì)試件材料進(jìn)行的銑削，簡(jiǎn)稱一次銑削)、二次銑削(在第1次銑削的基礎(chǔ)上，刀片旋轉(zhuǎn)過來后，刀刃再次對(duì)已加工表面的擠壓銑削，簡(jiǎn)稱二次銑削)等，對(duì)已加工表面加工硬化和硬化層深度的影響具有重要意義。

1試驗(yàn)條件與方案

1.1試驗(yàn)材料

鈦合金TB6的化學(xué)成分見表1，其室溫下的力學(xué)性能見表2。

表1　鈦合金TB6的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

表2 　鈦合金TB6的力學(xué)性能

1.2試驗(yàn)條件

1)試驗(yàn)機(jī)床和刀具。所有試驗(yàn)均在三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床上進(jìn)行，使用SANDVIK刀，刀盤直徑50 mm，型號(hào)為R390—50Q22—17L，TiAlN涂層硬質(zhì)合金方肩銑刀片，型號(hào)為R390—17 04 31E-PM S30T，刀尖圓弧半徑為R3～R3.2 mm。

2)試驗(yàn)儀器。用FM—800型顯微硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度，用HVS—1000金相顯微鏡獲取金相組織。

1.3試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中，銑削速度vc=60 m/min；每齒進(jìn)給量fz=0.06 mm/r；軸向切深ap=0.5 mm；磨損刀后刀面磨損量VB=0.3 mm。試驗(yàn)件尺寸為40 mm×40 mm×30 mm，銑刀盤上只安裝1個(gè)刀片,每組試驗(yàn)完成后更換新刀片或磨損刀片，銑削試驗(yàn)示意圖如圖1所示，乳化液冷卻潤(rùn)滑。顯微硬度測(cè)試點(diǎn)如圖1中一次銑削順銑點(diǎn)1、二次銑削順銑點(diǎn)3和一次銑削逆銑點(diǎn)2。

圖1　銑削試驗(yàn)示意圖

銑削后采用斜切法，在已加工表面上距端面約5 mm處沿進(jìn)給垂直方向，用慢走絲切割法切割出一個(gè)1°～3°的斜角，如圖2所示，然后對(duì)斜切面進(jìn)行粗磨、精磨、研磨和拋光。研磨斜面使其不能產(chǎn)生附加的塑性變形層，且保證已加工表面與斜切面之間的交角不出現(xiàn)圓角。用顯微硬度計(jì)在斜切面上逐點(diǎn)測(cè)量顯微硬度，直到出現(xiàn)基體材料的硬度為止，從而得到顯微硬度值及硬化層深度。

圖2　顯微硬度測(cè)試試件

沿著已加工試件的進(jìn)給方向切割，制備金相試樣。將切割斷面研磨、拋光后進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑配比為氫氟酸∶硝酸∶水=1∶2∶10。用型號(hào)為HVS—1000的金相顯微鏡對(duì)已加工面一側(cè)斷面的微觀組織進(jìn)行觀察。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1順逆銑加工表面顯微硬度值及硬化層深度

用斜切法分別對(duì)順銑削點(diǎn)1和逆銑削點(diǎn)2進(jìn)行顯微硬度值測(cè)量，得到如圖3所示曲線。從圖3可以看出，順逆銑顯微硬度在表面下深度的變化趨勢(shì)基本一致，最大顯微硬度都出現(xiàn)在已加工表面下4～8 μm處，在表面很淺的深度層內(nèi)顯微硬度略微上升，達(dá)到一個(gè)峰值，然后呈下降趨勢(shì)，趨于材料基體硬度值，即加工表面呈現(xiàn)表面硬化→硬度強(qiáng)化→趨于基體硬度的過程。逆銑削點(diǎn)2的表面層顯微硬度最大值為396 HV0.2，硬化層深度為21 μm；順銑削點(diǎn)1的表面層顯微硬度最大值為387 HV0.2，硬化層深度為15 μm；逆銑削點(diǎn)2的表面顯微硬度和硬化層深度均比順銑削點(diǎn)1大。

圖3　順逆銑顯微硬度曲線

在逆銑時(shí)，銑削力由小變大，銑削厚度從零開始逐漸增大，銑刀刃口存在鈍圓半徑，造成開始時(shí)前角為負(fù)值，刀齒在過渡表面上擠壓、滑行，刀具后刀面對(duì)已加工面的作用力增大，塑性變形大，使試件表面產(chǎn)生嚴(yán)重加工硬化，也導(dǎo)致試件表面加工硬化層深度增大；同時(shí)受擠壓銑削溫度影響，呈現(xiàn)如圖3逆銑所示的顯微硬度值略微上升，然后下降趨于基體硬度的顯微硬度曲線。順銑時(shí)，銑削力由大變小，銑削厚度從最大開始逐漸變小，即使銑刀刃口存在鈍圓半徑，也不會(huì)出現(xiàn)負(fù)前角情況，降低了刀具后刀面對(duì)已加工面的大作用力，避免了刀齒在加工表面上嚴(yán)重的擠壓、滑行現(xiàn)象，塑性變形小，試件表面因擠壓導(dǎo)致的加工硬化變小，加工硬化層深度也相應(yīng)變小，同時(shí)受擠壓銑削溫度影響，呈現(xiàn)如圖3逆銑所示的顯微硬度值略微上升，然后下降趨于基體硬度的顯微硬度曲線；因此，順銑比逆銑加工表面顯微硬值小，硬化層深度也相應(yīng)小。

2.2 新刀順銑加工表面顯微硬度及硬化層深度

用斜切法分別對(duì)新刀一次銑削點(diǎn)1和二次銑削點(diǎn)3進(jìn)行顯微硬度值測(cè)量，得到如圖4所示曲線。從圖4可以看出，新刀一次銑削和后刀面二次擠壓銑削加工，顯微硬度在表面下的變化趨勢(shì)不同，新刀一次銑削點(diǎn)1的最大顯微硬度出現(xiàn)在已加工表面下4～8 μm處，在表面很淺的深度層內(nèi)顯微硬度略微上升，達(dá)到一個(gè)峰值，然后呈下降趨勢(shì)，趨于材料基體的硬度值，即加工表面呈現(xiàn)表面硬化→硬度強(qiáng)化→趨于基體硬度的過程。新刀二次銑削點(diǎn)3的最大顯微硬度出現(xiàn)在已加工表面上，然后呈小幅振蕩下降，趨于材料基體硬度值，即加工表面呈現(xiàn)表面硬化→振蕩下降趨于基體硬度的過程。新刀一次銑削點(diǎn)1的表面層顯微硬度最大值為387 HV0.2，硬化層深度為15 μm；新刀二次銑削點(diǎn)3的表面層顯微硬度最大值為388 HV0.2，硬化層深度為24 μm；新刀一次銑削硬化層深度略小于新刀二次銑削硬化層深度，但新刀二次銑削表面硬度最大值出現(xiàn)在表面上，新刀一次銑削表面硬度最大值出現(xiàn)在4～8 μm處。

鈦合金TB6中的β相為體心立方結(jié)構(gòu)，彈性模量小，塑性變形能力強(qiáng)，試件已加工面材料在一次刀刃銑削時(shí)，較高的塑性使加工后的瞬間又隨即產(chǎn)生高的回彈量，當(dāng)已加工表面層材料回彈后，繼續(xù)與后刀面摩擦。刀—工接觸區(qū)(銑削刃與銑削試件已加工面的接觸區(qū))對(duì)試件表面產(chǎn)生了法向壓力和摩擦力，法向壓力和摩擦力易導(dǎo)致彈性變形和塑性變形，在試件表面形成加工硬化，并產(chǎn)生一定深度的加工硬化層。銑削過程中，由于鈦合金TB6熱導(dǎo)率低，刀刃與試件間擠壓摩擦產(chǎn)生的熱量積聚在試件表面刀—工接觸區(qū)，銑削熱一部分被切屑帶走，一部分由切削液冷卻，剩余的銑削熱使鈦合金表層金屬出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，銑削熱在表層很淺的深度內(nèi)被保留一段時(shí)間，并逐漸傳撒，在切削液快速致冷作用下，顯微硬度由表及里逐漸降低；同時(shí)擠壓后的已加工表面材料彈性回復(fù)，二者共同作用導(dǎo)致試件在表層較淺的深度范圍顯微硬度呈下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)如圖4所示的一次銑削所示的顯微硬度值略微上升，然后下降趨于基體硬度的曲線。

圖4　新刀銑削顯微硬度曲線

試件在第1次銑削加工后，材料自身變形回彈量小，當(dāng)旋轉(zhuǎn)過來的刀刃后刀面第2次擠壓銑削時(shí)，新刀鋒利導(dǎo)致的擠壓變形回彈量小，銑削刃鈍圓半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回彈量，鈍圓半徑再次將回彈量進(jìn)行擠壓拉伸，硬化層深度在第1次銑削的基礎(chǔ)上總體上略微增大，在一次銑削時(shí)導(dǎo)致的預(yù)先硬化層中已有硬化位錯(cuò)源，舊的位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，晶粒纖維化和晶格扭曲加大，表面硬化繼續(xù)加重，硬化層深度增大；因此，新刀二次銑削時(shí)，呈現(xiàn)如圖4二次銑削所示的顯微硬度最大值出現(xiàn)在表面，然后小幅振蕩下降趨于基體硬度的曲線。

2.3磨損刀順銑加工表面顯微硬度及硬化層深度

用斜切法分別對(duì)磨損刀一次銑削點(diǎn)1和二次銑削點(diǎn)3進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，得到如圖5所示曲線。從圖5可以看出，磨損刀一次銑削和二次銑削加工，顯微硬度值在表面下的變化趨勢(shì)基本相似，磨損刀一次銑削點(diǎn)1的最大顯微硬度出現(xiàn)在已加工表面下9～24 μm處，在表面很淺的深度層內(nèi)顯微硬度急劇上升，達(dá)到顯微硬度峰值，然后呈振蕩下降趨勢(shì)，趨于材料基體硬度值，即加工表面呈現(xiàn)表面硬化→硬度強(qiáng)化→振蕩下降趨于基體硬度的過程。磨損刀二次銑削點(diǎn)3的最大顯微硬度出現(xiàn)在已加工表面下15～21 μm處，在表面出現(xiàn)加工熱軟化，而后顯微硬度振蕩上升，達(dá)到顯微硬度峰值后，呈振蕩下降趨勢(shì)，趨于材料基體硬度值，即加工表面呈現(xiàn)表面熱軟化→硬度強(qiáng)化→振蕩下降趨于基體硬度的過程。磨損刀一次銑削點(diǎn)1的表面顯微硬度值為381 HV0.2，表面下最大顯微硬度值為403 HV0.2，硬化層深度為81 μm；磨損刀二次銑削點(diǎn)3的表面顯微硬度值為366 HV0.2，表面下最大顯微硬度值為387 HV0.2，硬化層深度為55 μm；磨損刀一次銑削硬化層深度大于磨損刀二次銑削硬化層深度，磨損刀二次銑削表面出現(xiàn)軟化。

在刀具后刀面磨損量VB=0.3 mm的嚴(yán)重情況下，刀—工接觸區(qū)增大，刀具與己加工表面的擠壓和摩擦加劇，刀—工接觸區(qū)對(duì)試件表面產(chǎn)生了法向壓力和摩擦力較大，試件表層的塑性變形增大，使晶粒拉長(zhǎng)、歪扭，甚至晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，顯微硬度和硬化層深度增大；同時(shí)，由于刀—工接觸區(qū)擠壓和摩擦強(qiáng)烈，產(chǎn)生的銑削熱也相應(yīng)增大，由于鈦合金TB6熱導(dǎo)率低，刀—工接觸區(qū)大，切削液難于進(jìn)入刀—工接觸區(qū)，切削液對(duì)刀—工接觸區(qū)冷卻作用減小，刀—工接觸區(qū)大量積聚的銑削熱使鈦合金表層金屬出現(xiàn)軟化。擠壓、摩擦強(qiáng)化和銑削熱導(dǎo)致的軟化共同作用結(jié)果，在磨損刀具一次銑削時(shí)，表面顯微硬度值略大于基體硬度。銑削熱在表層很淺的深度內(nèi)被保留一段時(shí)間，并逐漸傳散，嚴(yán)重?cái)D壓后的已加工表面材料彈性回復(fù)，二者共同作用導(dǎo)致試件在表層較淺的深度范圍顯微硬度振蕩下降，呈現(xiàn)如圖5所示的一次銑削顯微硬度曲線。

圖5　磨損刀銑削顯微硬度曲線

試件與磨損刀刃經(jīng)過第1次強(qiáng)烈擠壓摩擦銑削，試件加工變形后的自身彈性回彈較大，當(dāng)磨損刀刃旋轉(zhuǎn)過來第2次與已加工表面再次擠壓銑削時(shí)，銑削刃鈍圓半徑以上部分被切除，鈍圓半徑以下部分再次擠壓，因磨損刀后刀面出現(xiàn)的凹凸不平和坑洼，此時(shí)銑削擠壓作用增強(qiáng)，塑性變形也增大，硬化層深度在第1次銑削基礎(chǔ)上增大；同時(shí)，有部分材料在強(qiáng)烈的摩擦力擠壓作用下，從表面擦落，試件已加工面表層材料因刀刃切除、擦落和再次塑性變形引起硬化層深度增加，二者綜合作用的結(jié)果是，磨損刀二次銑削時(shí)硬化層深度減小。鈦合金TB6中的β相為體心立方結(jié)構(gòu)，與面心立方的α相相比，滑移系很多，位錯(cuò)開動(dòng)容易，磨損刀在一次銑削時(shí)導(dǎo)致的硬化位錯(cuò)，經(jīng)二次銑削，位錯(cuò)繼續(xù)開動(dòng)、滑移、增殖，在晶粒內(nèi)部，位錯(cuò)移動(dòng)遇到α相障礙物時(shí)，要么繞過它，要么切過它，否則就在相界面造成位錯(cuò)塞積，晶界上的α相與β相之間的過渡區(qū)成為薄弱環(huán)節(jié)，晶界發(fā)生開裂、破碎，纖維化和晶格扭曲加大，位錯(cuò)堆積增殖造成嚴(yán)重加工硬化；刀—工接觸區(qū)擠壓和摩擦產(chǎn)生的大量銑削熱積聚，銑削熱傳散不出去，高的銑削溫度使鈦合金表層金屬出現(xiàn)熱軟化，熱軟化大于擠壓強(qiáng)化，二者綜合作用，出現(xiàn)表面熱軟化。同時(shí)導(dǎo)致試件在表層較淺的深度范圍顯微硬度的振蕩上升和振蕩下降，呈現(xiàn)如圖5二次銑削所示的顯微硬度曲線。

3結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)鈦合金TB6的順逆銑、新刀和磨損刀的一次銑削、二次銑削等對(duì)加工硬化的試驗(yàn)研究與分析，得到如下結(jié)論。

1)鈦合金TB6在銑削速度vc=60 m/min、每齒進(jìn)給量fz=0.06 mm/r和軸向切深ap=0.5 mm加工條件下，新刀加工硬化小，加工硬化層深度<25 μm，磨損刀加工硬化大，加工硬化層深度最高可達(dá)81 μm。

2)鈦合金TB6順銑比逆銑加工硬化小，加工硬化層深度相應(yīng)?。恍碌侗饶p刀銑削鈦合金TB6導(dǎo)致的加工硬化及硬化層深度小。

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責(zé)任編輯鄭練

The Research of Milling Pattern to Work Hardening of Titanium Alloy TB6

LI Chuanqi

(Study on Eighth China Electronic Science and Technology Group, Huainan 232001, China)

Abstract：TB6 titanium alloy with high strength and toughness is like beta titanium alloy, and it has good casting, forging and hardenability. The present application of it is very extensive. Experiments on titanium alloy TB6 (Ti-10V-2Fe-3Al) working hardening and working hardening layer depth are studied by down or up milling, with first milling or quadratic milling in a new tool or the wear tool. The results show that titanium alloy TB6 is milled in carbide cutting tools and down milling in work hardening. The work hardening layer depth is smaller than up milling, new tool in work hardening is smaller than wear tool, the work hardening layer depth is less than 25 μm in new tool; the work hardening layer depth is up to 81 μm and quadratic milling causes the machined surface softening when tool flank wear VB is 0.3 mm.

Key words:down milling and up milling, tool wear, surface work hardening, titanium alloy TB6

收稿日期：2015-01-06

作者簡(jiǎn)介：李傳奇(1975-)，男，工程師，碩士，主要從事光纖光纜專用設(shè)備的設(shè)計(jì)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 548

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A