鈦合金TB6銑削表面殘余應(yīng)力研究*

向波羅，楊后川，李召華，王春凈，趙振峰

(1.95903部隊(duì)，湖北 武漢 430331；2.空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校 航空修理工程系，河南 信陽 464000)

鈦合金TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)是一種高強(qiáng)、高韌，并具有優(yōu)良鑄鍛性與淬透性的近β型鈦合金，在飛機(jī)機(jī)身、起落架、直升機(jī)中央件和旋翼連接件等結(jié)構(gòu)或部件中大量使用，在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中具有重要地位[1-2]。殘余應(yīng)力是衡量零部件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其性質(zhì)和大小對零件變形、疲勞強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性均有重要影響[3]。在實(shí)際切削加工時(shí)，應(yīng)盡可能減少零件表面殘余應(yīng)力，或控制殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，并適當(dāng)增加壓應(yīng)力深度，以提高零件的綜合力學(xué)性能[4-5]。

目前，國內(nèi)外對鈦合金銑削加工表面殘余應(yīng)力進(jìn)行著積極研究。Sun和Guo[6]研究了銑削鈦合金時(shí)切削速度和進(jìn)給量對表面殘余應(yīng)力的影響指出，表面殘余應(yīng)力呈現(xiàn)隨切削速度增大而先減少后增大，隨進(jìn)給量增大而先增大后減少的趨勢。J.D.P.Velasquez[7]研究表明，在高速數(shù)控車削加工時(shí)，隨著切削速度的增大，表面殘余壓應(yīng)力減小，拉應(yīng)力增加；當(dāng)切削速度繼續(xù)增大時(shí)，表面殘余拉應(yīng)力有減少趨勢。史愷寧等[8]研究側(cè)銑鈦合金TB6時(shí)發(fā)現(xiàn)，在保證銑削速度不變的情況下，當(dāng)每齒進(jìn)給量和銑削寬度增大到一定程度時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力有所增大，在表層出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力層變深。L.chen等[9]在車削TC4時(shí)發(fā)現(xiàn)，要避免在已加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，應(yīng)盡量控制刀具磨損量的大小。程敢峰[10]通過試驗(yàn)探究了刀具后刀面磨損和切削力對工件表面殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，切削力、刀具磨損狀態(tài)是影響表面殘余應(yīng)力的重要因素。田榮鑫等[11]用球頭刀銑削TC17得到了刀具磨損量VB對殘余壓應(yīng)力沿深度分布的影響規(guī)律，即在深度分布方向，殘余應(yīng)力先增大到最大壓應(yīng)力值后，逐漸減小并趨向于零；表面殘余應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力深度均隨刀具磨損量增大呈增大趨勢。

本文通過開展銑削參數(shù)、干銑削和刀具磨損等對表面殘余應(yīng)力的影響研究，為TB6銑削加工表面質(zhì)量控制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試件采用外形尺寸為20 mm×20 mm的去應(yīng)力退火方柱。試件裝夾如圖1所示。

圖1 試件裝夾

試件材料(鈦合金TB6)的化學(xué)成分組成見表1，力學(xué)性能見表2[12-13]。

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

表2 鈦合金TB6力學(xué)性能

鈦合金TB6銑削試驗(yàn)均在三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床上進(jìn)行。該機(jī)床功率為22 kW，主軸轉(zhuǎn)速為0～10 000 r/min。用型號為R390-50Q22-17L的山特維克盤銑刀，刀片型號為R390-17 04 31E-PM S30T，刀尖圓弧半徑為3～3.2 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 銑削參數(shù)對表面殘余應(yīng)力影響分析

銑削參數(shù)對殘余應(yīng)力影響試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3得到的銑削參數(shù)對表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律曲線如圖2所示。

表3 銑削參數(shù)對表面殘余應(yīng)力的影響

從圖2a可以看出，在銑削速度為20～80 m/min時(shí)，殘余應(yīng)力值隨切削速度的增大先略增大而后減小，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。具體分析如下：1)隨著銑削速度的增加，銑削力增大，由于鈦合金TB6彈性模量小，已加工表面彈性恢復(fù)大，刀具后刀面對工件表面的擠壓作用強(qiáng)，即擠壓效應(yīng)強(qiáng)，引起的殘余壓應(yīng)力增大；2)隨著銑削力增大，銑削層塑性變形區(qū)域增大，變形程度加重，塑性突出效應(yīng)也強(qiáng)，引起殘余拉應(yīng)力變大；3)工件表面銑削溫度隨銑削速度的增大而升高，在乳化液冷卻情況下，加工表面溫度不超過相變溫度，熱效應(yīng)引起的殘余拉應(yīng)力不十分明顯。可見，擠壓效應(yīng)引起的殘余壓應(yīng)力較塑性突出效應(yīng)和熱效應(yīng)引起的殘余拉應(yīng)力大，殘余拉、壓應(yīng)力疊加后表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，隨著銑削速度增大，擠壓效應(yīng)引起殘余壓應(yīng)力增大明顯，在擠壓效應(yīng)、塑性突出效應(yīng)和熱效應(yīng)共同作用下，表面殘余壓應(yīng)力值減小，殘余壓應(yīng)力值隨速度增大而減小，這與王素玉[14]的研究結(jié)果相似。此外，刀具進(jìn)給方向與工件材料剪切方向的夾角小，在進(jìn)給方向上擠壓、摩擦、延展作用強(qiáng)于垂直進(jìn)給方向，導(dǎo)致在進(jìn)給方向出現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，垂直進(jìn)給方向上呈現(xiàn)出較小的殘余壓應(yīng)力?？梢?，要想獲得好的殘余應(yīng)力，可以采用高速度冷卻潤滑銑削。

從圖2b可以看出，在每齒進(jìn)給量從0.04 mm/z升高到0.08 mm/z的過程中，表面殘余應(yīng)力大小始終保持在-340～-420 MPa；當(dāng)每齒進(jìn)給量達(dá)到0.12 mm/z時(shí)，垂直進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力值接近-500 MPa，均為壓應(yīng)力。具體分析如下：1)隨著進(jìn)給量增加，切削力增大，擠壓引起的塑性變形增大，擠壓效應(yīng)引起的表面殘余壓應(yīng)力增大，塑性突出效應(yīng)引起的殘余拉應(yīng)力也增大；2)在20 m/min的速度下冷卻潤滑銑削，切削溫度變化不大，熱效應(yīng)引起的表面殘余拉應(yīng)力變化不大；3)已加工表面表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，可見擠壓效應(yīng)引起的壓應(yīng)力大于塑性突出效應(yīng)和熱效應(yīng)引起的拉應(yīng)力；4)當(dāng)進(jìn)給量增加較大時(shí)，擠壓效應(yīng)將更大于塑性突出效應(yīng)，加工表面殘余壓應(yīng)力表現(xiàn)越明顯?？梢?，要想獲得大的殘余壓應(yīng)力，可適當(dāng)增加每齒進(jìn)給量。

從圖2c可以看出，相對銑削速度和每齒進(jìn)給量產(chǎn)生的殘余應(yīng)力影響而言，銑削深度對鈦合金TB6表面殘余應(yīng)力的影響不大明顯。在銑削深度從0.2～0.5 mm的變化過程中，2個(gè)方向的表面殘余應(yīng)力值幾乎保持不變，均在-400 MPa左右徘徊。銑削深度對表面殘余應(yīng)力的影響至今尚無定論，一些學(xué)者研究認(rèn)為[15-16]，銑削深度增大對殘余應(yīng)力影響不大，由Atintas[17]銑削力Ft(φ)=Ktcah(φ)+Krca可知，銑削深度增大，雖然銑削力增大，但是切削刃單位長度上的銑削力并無明顯變化，塑性變形程度變化不大，因而殘余應(yīng)力變化不大。另一些學(xué)者研究認(rèn)為[18]，銑削深度增大，被銑削層金屬的截面及體積增大，切削刃前的塑性變形范圍和變形程度增加，殘余應(yīng)力及分布影響大?？梢姡m當(dāng)增大銑削深度ap，既可控制好殘余應(yīng)力，又能提高銑削效率。

2.2 干銑削和冷銑削對殘余應(yīng)力的影響分析

在無乳化液冷卻潤滑條件下銑削稱為干銑削，在乳化液冷卻潤滑條件下的銑削稱為冷銑削。試驗(yàn)條件為：vc=20、50、80 m/min，fz=0.08 mm/z，ap=0.5 mm。不同銑削速度時(shí)干銑削和冷銑削對表面殘余應(yīng)力的影響如圖3所示。

圖3 干銑削與冷銑削對表面殘余應(yīng)力的影響

從圖3可以看出，試件干銑削時(shí)，表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，冷銑削時(shí)表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力。具體分析如下：1)在干銑削加工時(shí)，刀-屑、刀-工件銑削溫度高(可達(dá)800 ℃)[19]，而鈦合金TB6導(dǎo)熱性差，使銑削熱積聚在銑削表面，導(dǎo)致鈦合金出現(xiàn)相變，因相變而引起殘余應(yīng)力；2)較高的銑削溫度引起銑削后的表層金屬收縮，即熱效應(yīng)引起的表面殘余拉應(yīng)力大；3)因銑削熱而導(dǎo)致銑削力減小，工件表面受擠壓作用減弱，擠壓效應(yīng)引起的殘余壓應(yīng)力小，塑性突出效應(yīng)引起的殘余拉應(yīng)力也??；4)干銑削表面表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力隨速度增大而增大，說明干銑時(shí)，隨銑削速度增大，熱效應(yīng)更強(qiáng)于擠壓效應(yīng)；5)冷銑削表面表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力值隨速度增大而減小。合適的殘余應(yīng)力可提高零件的使用性能，可見冷銑削優(yōu)于干銑削。

2.3 刀具磨損對殘余應(yīng)力的影響分析

試驗(yàn)條件為：vc=20 m/min，fz=0.04 mm/z，ap=0.2 mm，刀具磨損量VB分別為0、0.11、0.18和0.27 mm。刀具磨損量對表面殘余應(yīng)力的影響如圖4所示。

圖4 刀具磨損量對表面殘余應(yīng)力的影響

從圖4可以看出，刀具磨損量可對表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響[20]，隨著刀具磨損量的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸增大。具體分析如下：1)刀具磨損，銑削力增大，刀具后刀面與工件已加工面接觸區(qū)增大，擠壓摩擦作用增強(qiáng)，擠壓效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力增大；2)鈦合金TB6為β相體心立方晶格結(jié)構(gòu)，彈性模量小，熱導(dǎo)率低，塑性變形能力強(qiáng)，導(dǎo)致彈性變形和塑性變形增大，塑性變形、側(cè)流、隆起效應(yīng)增強(qiáng)，塑性突出效應(yīng)也增強(qiáng)，因而殘余拉應(yīng)力增大；3)由于銑削溫度高，熱效應(yīng)導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力增大；4)試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，說明擠壓效應(yīng)遠(yuǎn)強(qiáng)于塑性突出效應(yīng)和熱效應(yīng)，且隨著刀面磨損量的增大，擠壓效應(yīng)將越強(qiáng)，殘余壓應(yīng)力也越大。可見，在精加工鈦合金TB6時(shí)，為減小殘余應(yīng)力值，應(yīng)盡可能控制刀具磨損量VB≤0.18 mm。

2.4 殘余應(yīng)力深度影響分析

研究殘余應(yīng)力深度方向分布規(guī)律，采用腐蝕剝層法進(jìn)行逐層剝離測量。腐蝕剝層液用氫氟酸(HF)、濃硝酸(HNO3)和水(H2O)配比得到，其配比為HF∶HNO3∶H2O=4∶10∶36。測試時(shí)，首先將加工好的工件用iXRD型號X射線衍射儀測試加工表面殘余應(yīng)力；然后用配比好的剝層腐蝕液腐蝕，平均每次腐蝕深度為10 μm；再用iXRD型號X射線衍射儀測量表面殘余應(yīng)力，直到表面殘余應(yīng)力變化在-30～-100 MPa為止。銑削參數(shù)為：vc=20或50 m/min，fz=0.04 mm/z，ap=0.2 mm。在冷銑削、干銑削和刀具磨損量VB=0.18 mm銑削試件后，測得表面殘余應(yīng)力深度方向的應(yīng)力分布情況如圖5所示。

圖5 殘余應(yīng)力沿深度方向分布

由圖5可以看出，冷銑削導(dǎo)致的殘余應(yīng)力深度約為20～30 μm，干銑削導(dǎo)致的殘余應(yīng)力深度為30～40 μm，當(dāng)?shù)毒吣p量VB=0.18 mm時(shí)銑削導(dǎo)致的殘余應(yīng)力深度>50 μm，最大殘余應(yīng)力值均出現(xiàn)在表面或者表面以下10 μm，殘余應(yīng)力沿深度方向分布大致呈“勺”型。 具體分析如下：1)在冷銑時(shí)，擠壓效應(yīng)強(qiáng)于熱效應(yīng)，在擠壓效應(yīng)和熱效應(yīng)共同作用下，試件表面殘余應(yīng)力由大到小逐漸減小至基體應(yīng)力值；2)在銑削速度為50 m/min條件下進(jìn)行干銑削時(shí)，受到較高的銑削溫度影響，熱效應(yīng)較擠壓效應(yīng)更為突出，導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；3)銑削是斷續(xù)過程，當(dāng)銑削刀具切入時(shí)，刀具與工件間擠壓摩擦，銑削熱產(chǎn)生熱漲，當(dāng)銑削刀具退出時(shí)，已加工表面出現(xiàn)冷卻收縮[21]，這種冷熱循環(huán)造成在加工表面及內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力循環(huán)積累過程，導(dǎo)致表面殘余拉應(yīng)力值呈波浪式逐漸減小，并趨于基體殘余應(yīng)力值；4)刀具磨損后進(jìn)行冷銑削時(shí)，擠壓效應(yīng)遠(yuǎn)強(qiáng)于塑性突出效應(yīng)與熱效應(yīng)，試件表面殘余壓應(yīng)力由大到小逐漸減小至基體應(yīng)力值。可見，鈦合金TB6試件在銑削過程中，表層可能出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，實(shí)際應(yīng)用中會給構(gòu)件帶來潛在的安全隱患；因此，精加工鈦合金TB6時(shí)宜采用低速冷銑，并應(yīng)適當(dāng)控制銑刀磨損量。

3 結(jié)語

通過研究分析銑削參數(shù)、干銑削、冷銑削和刀具磨損量等對表面殘余應(yīng)力的影響，得出如下結(jié)論。

1)鈦合金TB6銑削加工時(shí)，銑削速度和進(jìn)給量對殘余壓應(yīng)力影響明顯，銑削深度對殘余壓應(yīng)力影響小。

2)干銑削時(shí)，鈦合金TB6試件表面為殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力隨銑削速度增大而增大，是熱效應(yīng)強(qiáng)于擠壓效應(yīng)的結(jié)果；冷銑削時(shí)，試件表面表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力值隨速度增大而減小。

3)刀具磨損量對表面殘余應(yīng)力會產(chǎn)生較大的影響。隨著刀具磨損量的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸增大，是擠壓效應(yīng)強(qiáng)于塑性突出效應(yīng)和熱效應(yīng)的結(jié)果。

4)冷銑削導(dǎo)致的殘余應(yīng)力深度為20～30 μm，干銑削導(dǎo)致的殘余應(yīng)力深度為30～40 μm，刀具磨損量VB=0.18 mm時(shí)銑削導(dǎo)致的殘余應(yīng)力深度>50 μm，最大殘余應(yīng)力值均出現(xiàn)在表面或者表面以下10 μm內(nèi)，殘余應(yīng)力沿深度方向分布大致呈“勺”型。