工業(yè)純鈦切削過程表面三維形貌研究

王晨羽,徐碧聰,顏世晶,李金泉

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(jī)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(jìn)給量時,表面粗糙度近似成線性正比關(guān)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(jìn)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(shè)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(jìn)給量對表面粗糙度的影響占主導(dǎo),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(jìn)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(yán)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(jìn)行切削試驗,試驗材料為工業(yè)純鈦TA2,退火態(tài),化學(xué)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行金相觀察及三維形貌測量。

表1 材料化學(xué)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(jìn)給量變化的表面形貌特性

圖1為TA2 在Vc=97mm/min,ap=0.2mm,進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)車刀的進(jìn)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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(biāo)如表3所示。算術(shù)平均高度表示在基準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)長度的5倍。如圖2a,當(dāng)進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)給量的增大而增大,說明加工表面輪廓波形隨進(jìn)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(jìn)給運(yùn)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(jìn)給量相當(dāng)于螺距,因此,每兩個沿主切削運(yùn)動方向走向的相鄰波峰波谷之間的間距近似為進(jìn)給量大小。進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)給量的增大而增大,可通過降低進(jìn)給量來降低表面形貌波動情況,提高表面質(zhì)量。