γ-TiAl合金銑削加工表面殘余應(yīng)力研究

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安710072）

γ-TiAl合金作為一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料，因其極低的密度及其他一系列獨(dú)特的物理和力學(xué)性能（高比剛度、高比強(qiáng)度、良好的抗氧化性等），在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的零部件輕量化設(shè)計(jì)中受到高度重視，成為合金化合物中的研究熱點(diǎn)[1]。目前，γ-TiAl合金已用于制造壓氣機(jī)葉片，渦輪高壓和低壓葉片，發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，以及汽車排氣閥等重要零部件，展現(xiàn)出巨大的潛力與應(yīng)用前景。然而，TiAl合金具有較低的塑性延展性、較低的斷裂韌性及較小的熱傳導(dǎo)系數(shù)，在機(jī)械加工過程中常出現(xiàn)切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重、燒傷以及微裂紋等問題，目前已被確定為難加工材料[2-5]。

Mantle等[6-7]使用鉆孔法測量了γ-TiAl銑削加工后工件表面殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力性質(zhì)均為壓應(yīng)力，且高達(dá)500MPa，通過監(jiān)測切削過程中的刀具狀態(tài)，分析判斷出刀具磨損和切削速度是影響殘余應(yīng)力的主要因素。后來，Hood等[8]在槽銑γ-TiAl合金時(shí)發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，即工件表面同樣為殘余壓應(yīng)力，且應(yīng)力層深度達(dá)450μ m 。本文通過設(shè)計(jì)4因素4水平的正交試驗(yàn)，以γ-TiAl合金為研究對象，探究切削參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，并進(jìn)行靈敏度分析[9]，為尋求切削參數(shù)的優(yōu)選區(qū)間奠定理論基礎(chǔ)。

1 γ-TiAl合金銑削試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為γ-TiAl合金，工件幾何尺寸為176mm×70mm×18mm，切削試驗(yàn)方案如圖1所示。其中X軸表示步進(jìn)方向，Y軸表示進(jìn)給方向。試驗(yàn)機(jī)床選用VMC850數(shù)控銑床，主軸最大轉(zhuǎn)速為8000r/min，最大功率為22kW，干切削。刀具選用Φ10mm整體硬質(zhì)合金4刃平底立銑刀，牌號(hào)為K40。銑削力采用Kistler 9255B三向動(dòng)態(tài)壓電式測力儀進(jìn)行測量，力測量信號(hào)圖表明Fx、Fy、Fz均隨切削時(shí)間的變化呈現(xiàn)周期性變化，選取每向力信號(hào)圖連續(xù)10個(gè)最大峰值信號(hào)，然后計(jì)算平均值作為各向銑削力大小值，最后進(jìn)行三向銑削力值合成總切削力；切削溫度采用FLUKE Ti400Thermal Imagers紅外測溫儀，殘余應(yīng)力采用X射線應(yīng)力分析儀Proto-LXRD MG2000進(jìn)行測量，針對各個(gè)加工區(qū)域的加工表面，沿中心線進(jìn)給方向等間隔取3個(gè)點(diǎn)，分別測量X向（步進(jìn)方向）和Y向（進(jìn)給方向）殘余應(yīng)力，為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可靠，分別求取各方向3個(gè)測量值的平均值。

本試驗(yàn)選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案[10]，設(shè)計(jì)4因素（銑削速度、銑削深度、每齒進(jìn)給量、銑削寬度）4水平L16（44）正交表。根據(jù)試驗(yàn)測量結(jié)果，由于Y向的殘余壓應(yīng)力值比X向小，故本文僅對X向殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。銑削參數(shù)及測量結(jié)果如表1所示。在試驗(yàn)過程中，將整塊工件表面等分成16個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域完成一組對應(yīng)的切削參數(shù)，且每加工一個(gè)區(qū)域需換一把新刀，以保證切削初始條件的一致性。

圖1 試驗(yàn)方案及測量點(diǎn)示意圖Fig.1 Experiment plan and measurement points

2 銑削試驗(yàn)結(jié)果分析

銑削加工表面存在殘余應(yīng)力的主要原因包括冷塑性變形、熱塑性變形以及金相組織的變化，最終表面層的殘余應(yīng)力性質(zhì)是上述3種原因綜合作用的結(jié)果。盡管各加工區(qū)域?qū)?yīng)不同的切削參數(shù)組合，但工件表面的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，這是由于切削速度較小，切削過程中雖未使用切削液，但切削溫度并不高，而且大部分熱量被切屑帶走，熱塑性變形較小，表面層溫度也未達(dá)到相變點(diǎn)而發(fā)生金相組織轉(zhuǎn)變，故而冷塑性變形占主導(dǎo)地位。

2.1 銑削速度-殘余應(yīng)力的關(guān)系

從殘余應(yīng)力隨銑削速度的變化曲線（圖2）可以看出：當(dāng)切削速度從20m/min升高到35m/min時(shí)，X向殘余壓應(yīng)力從718.66MPa降至665.88MPa，這是因?yàn)殡S著切削速度的提高，切削力減小而切削溫度升高，導(dǎo)致冷塑性變形程度下降。當(dāng)銑削速度超過35m/min時(shí)，切削溫度繼續(xù)升高，盡管切削力增大增強(qiáng)了冷塑性變形作用效果，但不如切削溫度作用效果明顯，熱塑性變形抵消一部分殘余壓應(yīng)力，因此步進(jìn)方向的殘余壓應(yīng)力值變小，但此時(shí)仍然是冷塑性變形占主導(dǎo)地位。

2.2 每齒進(jìn)給量-殘余應(yīng)力的關(guān)系

分析殘余應(yīng)力隨每齒進(jìn)給量的變化曲線（圖3）可知：當(dāng)每齒進(jìn)給量在0.02～0.06mm/z區(qū)間內(nèi)增大時(shí)，金屬切除率增加，切削力增大，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致熱塑性變形作用增強(qiáng)，因此殘余壓應(yīng)力水平降低。當(dāng)每齒進(jìn)給量在0.06～0.08mm/z變化時(shí)，由于刀具移動(dòng)速度加快，切削熱作用于工件表面的時(shí)間縮短，熱塑性變形作用下降，因而殘余壓應(yīng)力水平有所提高。

表1 銑削參數(shù)及殘余應(yīng)力測量結(jié)果

2.3 銑削深度-殘余應(yīng)力的關(guān)系

圖4為殘余應(yīng)力隨銑削深度的變化曲線，分析可知，殘余壓應(yīng)力水平呈先下降后上升趨勢，說明熱塑性變形的作用效果有所減弱。當(dāng)銑削深度在0.4～0.8mm變化時(shí)，盡管切削深度增加導(dǎo)致切削力增大（切削力在0.6～0.8mm區(qū)間內(nèi)下降幅度很小，可認(rèn)為切削力大小基本保持同一水平），單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱增多，但刀具-工件接觸區(qū)域增大，切削刃工作長度增長，有效改善了散熱條件，削弱了切削熱熱塑性變形的作用效果，因而殘余壓應(yīng)力增大。

2.4 銑削寬度-殘余應(yīng)力的關(guān)系

殘余應(yīng)力隨銑削寬度的變化曲線如圖5所示，分析可知，當(dāng)銑削寬度在0.4～0.8mm變化時(shí)，殘余應(yīng)力隨銑削寬度增大的變化情況與銑削深度基本類似。隨著切削寬度的增大，同時(shí)參與切削工作的刀具齒數(shù)增多，導(dǎo)致切削力增大，與此同時(shí)單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱增多，切削溫度升高，但刀具-工件接觸面積增大，同樣有效地改善了散熱條件，從而削弱了切削熱熱塑性變形的作用效果，因而殘余壓應(yīng)力較0.4mm時(shí)均增大。此外，殘余應(yīng)力值總體變化幅度不大，說明切削寬度并不是影響殘余應(yīng)力大小的重要因素。

3 靈敏度分析及參數(shù)優(yōu)選

為了減小各設(shè)計(jì)變量量綱的不同對殘余應(yīng)力靈敏度分析的影響，對各工藝因素進(jìn)行歸一化處理：

歸一化處理后殘余應(yīng)力的變化規(guī)律如圖6所示。分別對試驗(yàn)結(jié)果中4條殘余應(yīng)力變化曲線進(jìn)行擬合，構(gòu)建切削速度-殘余應(yīng)力、每齒進(jìn)給量-殘余應(yīng)力、軸向切深-殘余應(yīng)力、徑向切深-殘余應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型為：

設(shè)目標(biāo)函數(shù)為f(x)，設(shè)計(jì)變量為x，其中x=（x1，x2，x3，…，xn），n代表試驗(yàn)因素的個(gè)數(shù)，若f(x)可導(dǎo)，則靈敏度S可表示為：

圖2 銑削速度-殘余應(yīng)力曲線Fig.2 Variation of residual stress with milling speed

圖3 每齒進(jìn)給量-殘余應(yīng)力曲線Fig.3 Variation of residual stress with feed per tooth

圖4 銑削深度-殘余應(yīng)力曲線Fig.4 Variation of residual stress with milling depth

靈敏度絕對值的平均值是衡量設(shè)計(jì)目標(biāo)對設(shè)計(jì)變量敏感強(qiáng)弱程度的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算方法是對公式（4）中的二次函數(shù)取絕對值隨后進(jìn)行積分，積分區(qū)間為[0,1]，從而得出隨著切削速度的變化，靈敏度絕對值的平均值為342.57，表明殘余應(yīng)力對銑削速度在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)變化時(shí)最敏感；其次是銑削深度，其靈敏度絕對值的平均值為149.49；再次是徑向切深，其靈敏度絕對值的平均值為114.09；最后為每齒進(jìn)給量，靈敏度絕對值的平均值為112.77。由于銑削深度、銑削寬度和每齒進(jìn)給量3者的靈敏度值相差不大，故可認(rèn)為殘余應(yīng)力對此3者變化時(shí)的敏感程度近似相同。此外，圖7為靈敏度數(shù)學(xué)模型的曲線，可以看出，較小的靈敏度數(shù)值，意味著殘余應(yīng)力變化不大，若設(shè)定靈敏度數(shù)值范圍為 ±100，則vc'∈ (0.113,0.197)∪ (0.613,0.696)，fz'∈ (0.338,0.794)，ap'∈ (0.189,0.815)，ae'∈(0.197,0.397)∪(0.688,0.861)， 也即vc∈ (25.09,28.87)∪ (47.59,51.32)，fz∈ (0.04,0.06)，ap∈ (0.31,0.69)，ae∈ (0.32,0.44)∪ (0.61,0.72)。若以獲得較大殘余壓應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)優(yōu)先對切削速度進(jìn)行選擇并保證靈敏度值在負(fù)值區(qū)域（靈敏度為負(fù)值表示殘余壓應(yīng)力增大），因此選擇切削速度為50m/min，然后對每齒進(jìn)給量進(jìn)行選擇，可確定為0.06mm/z，最后對軸向切深和徑向切深進(jìn)行選擇，可確定為ap=0.6mm，ae=0.4mm，因此較優(yōu)的切削參數(shù)組合為vc=50m/min，fz=0.06mm/z，ap=0.6mm，ae=0.4mm。

4 結(jié)論

基于X射線衍射技術(shù)，研究了銑削速度-殘余應(yīng)力、每齒進(jìn)給量-殘余應(yīng)力、銑削深度-殘余應(yīng)力及銑削寬度-殘余應(yīng)力的影響關(guān)系，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，可以得到以下結(jié)論：

（1）工件表面X向殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力，這是由于冷塑性變形占主導(dǎo)地位。

（2）建立了不同切削參數(shù)對表面殘余應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型，通過切削參數(shù)的靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力對切削速度的變化最敏感，對每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度的敏感程度近似相同。

圖5 銑削寬度-殘余應(yīng)力曲線Fig.5 Variation of residual stress with milling width

圖6 歸一化參數(shù)-殘余應(yīng)力曲線Fig.6 Variation of residual stress with normalized cutting parameters

圖7 殘余應(yīng)力靈敏度曲線Fig.7 Sensitivity curve of residual stress

（3）以獲得較大殘余壓應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，較優(yōu)的切削參數(shù)組合為vc=50m/min，fz=0.06mm/z，ap=0.6 mm，ae=0.4mm。

參 考 文 獻(xiàn)

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