Ti-6A1-4V微銑削表面完整性研究

許金凱，劉靜靜，于占江，李一全

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

微銑削是指用微型銑刀對(duì)微小零部件進(jìn)行精密銑削的加工技術(shù)，微型銑刀的直徑通常小于等于1mm[1]。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，微銑削與傳統(tǒng)銑削在系統(tǒng)的剛度、切削條件、切削用量等方面差異都很大。只有通過(guò)有效的方式選擇適合的加工條件和切削參數(shù)，銑削表面的加工精度和表面質(zhì)量[2-3]才得以保證。Ti-6A1-4V具有熱強(qiáng)度大、比強(qiáng)度高、抗腐蝕能力強(qiáng)、低溫性能好以及化學(xué)活性大等物理特點(diǎn)，在航空工業(yè)、醫(yī)療器械以及其他高科技產(chǎn)品制造中發(fā)揮重要作用。Ti-6A1-4V屬于典型難加工材料，加工過(guò)程中存在切削力大以及刀具易磨損等問(wèn)題[4-5]，這些因素會(huì)對(duì)表面質(zhì)量造成不同程度的不良影響，嚴(yán)重影響零件的使用性能。因此研究各個(gè)變量的不同切削參數(shù)對(duì)Ti-6A1-4V加工后表面完整性的影響效果是十分必要的[6-8]。其中加工后工件表面粗糙度和表面形貌、表面殘余應(yīng)力的分布以及加工硬化是評(píng)價(jià)微銑削表面完整性的三個(gè)主要研究?jī)?nèi)容。表面完整性相對(duì)于表面質(zhì)量而言更側(cè)重于微觀表面質(zhì)量，而且表面完整性所包含的內(nèi)容比傳統(tǒng)的表面質(zhì)量更加全面、具體[9]。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

此次試驗(yàn)選用正交試驗(yàn)與單因素試驗(yàn)結(jié)合的方法研究各微銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度、殘余應(yīng)力分布和加工硬化影響的變化趨勢(shì)來(lái)綜合評(píng)價(jià)工件表面微銑削加工的表面完整性。試驗(yàn)選用了切削刃直徑為1mm的硬質(zhì)合金四刃立銑刀在Ti-6A1-4V表面進(jìn)行全徑向銑削微溝槽的正交試驗(yàn)和單方向加工微平面的單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)首先選用正交試驗(yàn)的方法來(lái)說(shuō)明各因素的影響效果，綜合評(píng)價(jià)多種變量對(duì)于表面粗糙度以及殘余應(yīng)力影響的主次順序，通過(guò)極差分析得出試驗(yàn)過(guò)程中的最優(yōu)參數(shù)組合，更具有實(shí)際意義[10，11]。利用EVO MA25 掃描電子顯微鏡觀察槽底及毛刺的微觀形貌，利用LD120輪廓與粗糙度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行表面粗糙度的測(cè)量，利用X射線殘余應(yīng)力分析儀測(cè)量加工后表面的殘余應(yīng)力，最后利用納米硬度壓痕儀測(cè)量微銑削表面的顯微硬度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)采用三因素四水平正交試驗(yàn)分析即L16（43），三個(gè)因素分別為主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf以及切削深度ap，研究這些參數(shù)對(duì)表面粗糙度以及殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，各因素的參數(shù)值設(shè)定如表1所示。

表1 因素水平表

圖1為Ti-6A1-4V在兩組不同參數(shù)值下加工的微溝槽形貌，通過(guò)觀察各組參數(shù)下微溝槽形貌，可以看出影響毛刺尺寸的主要因素為主軸轉(zhuǎn)速和切削深度，當(dāng)銑削深度較小時(shí)，材料的去除量較小，由于Ti-6A1-4V塑性韌性良好的材料特性，在微銑削的過(guò)程中易產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)的切屑不易斷裂而形成毛刺粘結(jié)在工件表面。當(dāng)銑削深度較大時(shí)，材料去除量變大切屑厚度以及尺寸都相應(yīng)增大。另外較高的主軸轉(zhuǎn)速有利于切屑的斷裂從而使溝槽邊緣質(zhì)量變好，在實(shí)際生產(chǎn)中也有利于后一道的加工效果。

圖2是這次微溝槽銑削正交試驗(yàn)槽底主要存在的兩種表面缺陷，分別是切削深度較小時(shí)產(chǎn)生的細(xì)小碎屑粘結(jié)表面和進(jìn)給量較大時(shí)微銑刀產(chǎn)生的明顯刀痕，這兩種情況是造成表面粗糙度增大的主要原因，從而影響槽底的表面質(zhì)量。

圖1 兩組加工參數(shù)下的毛刺形貌對(duì)比

圖2 兩種主要存在的表面缺陷

結(jié)合因素水平表和正交試驗(yàn)方法對(duì)Ti-6A1-4V微溝槽銑削進(jìn)行了初步分析，分別對(duì)每一個(gè)溝槽進(jìn)行粗糙度與殘余應(yīng)力測(cè)量，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)的粗糙度和殘余應(yīng)力的測(cè)量均重復(fù)進(jìn)行三次以上，舍棄離群值得出平均值。試驗(yàn)得出的極差分析結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案與極差分析結(jié)果

通過(guò)極差分析可以看出，各銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響從大到小依次為：進(jìn)給速度vf、主軸轉(zhuǎn)速n、切削深度ap；各因素水平的最優(yōu)組合為A4B1C2，即當(dāng)n=10000r/min，vf=30mm/min，ap=20μm時(shí)，溝槽底部的表面粗糙度值可達(dá)到最小。全部銑削試驗(yàn)在工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力的合理分布對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度有顯著影響，但實(shí)踐證明，殘余應(yīng)力無(wú)論如何分布，對(duì)某些力學(xué)性能總是有著不利的影響[12]。所以在評(píng)定各組試驗(yàn)的殘余應(yīng)力值時(shí)，認(rèn)為殘余應(yīng)力的絕對(duì)值趨于最小為最優(yōu)。各參數(shù)產(chǎn)生影響的主次順序從大到小依次為：進(jìn)給速度vf、切削深度ap、主軸轉(zhuǎn)速n；各因素水平的最優(yōu)組合為A4B2C2，即當(dāng)n=10000r/min，vf=60mm/min，ap=20μm時(shí)，溝槽底部的殘余應(yīng)力值最佳?？梢钥闯鰧?duì)于表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力的最優(yōu)參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速和切削深度的值是一致的，只有進(jìn)給速度存在微小差異。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

為更進(jìn)一步研究微銑削在實(shí)際加工應(yīng)用中各因素對(duì)表面質(zhì)量的影響效果，選用了切削刃直徑為1mm的硬質(zhì)合金四刃立銑刀在鈦合金工件表面加工了三組微平面，平面的尺寸為10mm×10mm。采取的加工軌跡是單方向的行進(jìn)軌跡，每次的縱向進(jìn)給率為70%。試驗(yàn)方法為單因素試驗(yàn)法，單因素試驗(yàn)可以直觀的觀察某一因素對(duì)表面質(zhì)量的影響趨勢(shì)和規(guī)律，但也存在一定弊端，不能綜合評(píng)定各參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并且試驗(yàn)量較大。如表3所示。

表3 單因素試驗(yàn)參數(shù)表

如圖3-圖5所示分別為不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)給速度以及不同切削深度下接刀區(qū)域的粗糙度值變化。從折線圖3可以看出，當(dāng)進(jìn)給速度和切削深度一定時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大接刀區(qū)域的粗糙度值先減小后增大，這是因?yàn)殡S著主軸轉(zhuǎn)速的提高被去除材料與刀具前刀面摩擦減小，并且產(chǎn)生的一部分切削熱被切屑帶走從而提高了加工的表面質(zhì)量。主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增高當(dāng)n＞8000r/min時(shí)，單位時(shí)間會(huì)產(chǎn)生更多的切削熱，從而使被切除材料更容易產(chǎn)生塑性變形甚至粘附在刀具的切削刃上，并且主軸也會(huì)產(chǎn)生一定的震顫，銑削表面的表面質(zhì)量又會(huì)變差。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和切削深度一定時(shí)，從圖4中可以看出隨著進(jìn)給速度的增大粗糙度值逐漸增大，這是因?yàn)樵龃筮M(jìn)給量會(huì)迅速提高切削溫度、加劇刀具磨損，即直接影響到被加工表面的表面質(zhì)量。因此在實(shí)際銑削過(guò)程中增大進(jìn)給量的同時(shí)要盡可能的減小切削深度并且選取適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速，目的是在保證加工表面質(zhì)量的同時(shí)延長(zhǎng)刀具壽命。如圖5所示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度一定時(shí)，粗糙度值隨著切削深度的增加而增大，尤其是當(dāng)切削深度從35μm增大到40μm時(shí)粗糙度值明顯增大。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度增大時(shí)，雖然加工效率有一定的提高，但是增大了殘留在工件上毛刺的高度，增大了接下來(lái)一刀加工的阻力，造成了表面粗糙度的增大。這說(shuō)明切削深度大于35μm會(huì)導(dǎo)致粗糙度值急劇增大，因此在實(shí)際銑削加工中應(yīng)盡量避免選擇35μm以上的切削深度。

圖3 不同主軸轉(zhuǎn)速下的粗糙度值

圖4 不同進(jìn)給速度下的粗糙度值

圖5 不同切削深度下的粗糙度值

經(jīng)過(guò)微銑削加工后工件的表面層硬度會(huì)不同程度的增大，這就是加工硬化現(xiàn)象。由于材料本身的特性，Ti-6A1-4V在銑削過(guò)程中存在加工硬化嚴(yán)重的現(xiàn)象從而影響加工后表面的機(jī)械性能。采用的試驗(yàn)設(shè)備是納米硬度壓痕儀，施加力大小為30mN，保載時(shí)間為10s。在每個(gè)加工平面上選取六個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度壓痕測(cè)試，計(jì)算平均值作為每個(gè)平面的顯微硬度值。圖6、圖7為壓頭壓入表面形成壓痕的微觀形貌以及所測(cè)量得出的各組壓痕硬度值的變化趨勢(shì)。

圖6 壓入點(diǎn)微觀形貌

圖7 不同加工參數(shù)下的壓痕硬度值變化趨勢(shì)

圖6中點(diǎn)1、2、3均為試驗(yàn)點(diǎn)，三點(diǎn)中央點(diǎn)為最先壓入的點(diǎn)，作用是調(diào)整壓頭深度偏移且沒(méi)有數(shù)值輸出。首先測(cè)得Ti-6A1-4V材料本身的壓痕硬度為3280Mpa，從圖7中可以看出，隨著切削深度的提高壓痕硬度值逐漸增大，這是因?yàn)楫?dāng)切削深度大于刀具刃圓半徑時(shí)，其數(shù)值越大刀具對(duì)被加工表面擠壓越嚴(yán)重產(chǎn)生的塑性變形就越大，從而使表面應(yīng)力增大即硬化程度變大。當(dāng)進(jìn)給速度不斷增大時(shí)壓痕硬度先減小后增大，這是因?yàn)檫M(jìn)給速度較小時(shí)刀具與工件之間存在更多的擠壓和研磨，使加工硬化變大；當(dāng)進(jìn)給速度過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致加工表面塑性變形增大，并且伴隨著加工硬化的增大粗糙度值也在增大，使表面質(zhì)量變差。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高壓痕硬度值同樣是先減小后增大，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速適當(dāng)增大時(shí)，刀具與工件間的摩擦減小從而使加工硬化程度減小，主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大工件表面材料變形速度變大產(chǎn)生的切削熱增多使加工表面溫度升高加工硬化變大。

圖8 不同主軸轉(zhuǎn)速下的殘余應(yīng)力值

圖9 不同進(jìn)給速度下的殘余應(yīng)力值

圖10 不同切削深度下的殘余應(yīng)力值

微銑削平面表面殘余應(yīng)力值隨各因素變化趨勢(shì)如圖8-圖10所示，從圖中可以看出，所有試驗(yàn)參數(shù)下加工后表面的殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力。在參數(shù)選擇范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力值隨切削深度和進(jìn)給速度的增加有增大的趨勢(shì)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)于表面殘余應(yīng)力沒(méi)有明顯影響。

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)主要以微銑削加工后的表面完整性為研究對(duì)象，主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)Ti-6A1-4V微銑削表面的微觀形貌、粗糙度值、殘余應(yīng)力以及加工硬化進(jìn)行了檢測(cè)和分析。通過(guò)正交試驗(yàn)的方法研究了各試驗(yàn)參數(shù)對(duì)于表面粗糙度值以及殘余應(yīng)力值的影響，通過(guò)極差分析得出了最優(yōu)參數(shù)組合，通過(guò)單因素試驗(yàn)得出了各因素對(duì)表面粗糙度、殘余應(yīng)力以及加工硬化的直觀影響。

Ti-6A1-4V微銑削試驗(yàn)中，在高轉(zhuǎn)速、中低進(jìn)給速度以及中等切深條件下，微銑削表面粗糙度值和殘余應(yīng)力值可以達(dá)到比較理想的狀態(tài)；對(duì)于加工后表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力的最優(yōu)參數(shù)組合分別為n=10000r/min，vf=30mm/min，ap=20μm、n=10000r/min，vf=60mm/min，ap=20μm。

微銑削Ti-6A1-4V后表面層的顯微硬度值隨切削深度增大而增大，在中等進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速下的值較小。因此選擇較低的切削深度以及中等的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速可以有效的降低加工硬化現(xiàn)象。