PCD刀具高速銑削TC4鈦合金的工藝參數(shù)優(yōu)化*

王 勝, 劉文軍, 周明安, 張玉賢, 顧怡紅,2, 余文利,2

(1. 衢州職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院, 浙江 衢州 324000) (2. 浙江大學 機械工程學院, 杭州 310027)

TC4(Ti-6Al-4V)是典型的α+β 型鈦合金，具有韌性好、強度高、密度低、耐腐蝕、抗蠕變等良好性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天及工作環(huán)境較為特殊的重要零部件，如航空發(fā)動機曲軸、壓縮機盤、潛艇葉片、航空動力機外殼及其他結(jié)構(gòu)件上[1-2]。

高速銑削的TC4工件表面質(zhì)量是指在一定的加工條件下，其金屬表面的微觀幾何特征和材料組織特性及其改變規(guī)律等[2]。 工件的平面度、平行度、表面形貌、表面粗糙度、表面顯微硬度及表面殘余應(yīng)力等是其表面質(zhì)量與工件力學性能中非常重要的指標，加工參數(shù)等對其有直接影響[3]。

國內(nèi)外學者針對TC4鈦合金材料工件的切削進行了大量的理論及試驗分析，發(fā)現(xiàn)了加工工藝參數(shù)對TC4鈦合金加工質(zhì)量仿真、彈塑性變形、顯微硬度與殘余應(yīng)力等的影響規(guī)律。王沁軍等[4]以材料去除率為優(yōu)化目標，建立加工工藝優(yōu)選模型，采用PCBN刀具對TC4工件進行銑削得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合，大幅提高了其表面加工質(zhì)量。王曉明等[5]運用極差分析法建立TC4鈦合金表面粗糙度模型，并進行高速銑削加工試驗，驗證了其表面粗糙度模型的有效性。馮毅雄等[6]建立了壓制TC4過程的數(shù)學回彈模型，并進行多工序壓制參數(shù)優(yōu)化流程試驗，驗證了其工藝參數(shù)與方法的正確性和有效性。羅學全等[7]以鈦合金為試驗材料，用PVD刀具進行高速銑削加工，分析了刀具磨損與鈦合金表面加工質(zhì)量的影響規(guī)律。劉戰(zhàn)鋒等[8]采用ANSYS有限元軟件，分析了鈦合金在深孔鉆削加工過程中，刀具的幾何參數(shù)與加工系統(tǒng)對孔內(nèi)壁加工精度與排屑的影響。李體仁等[9]以有限元分析軟件與金屬切削理論為基礎(chǔ)，對TC4鈦合金進行銑削分析與研究，分析了銑削三要素對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。CHE-HARON等[10]結(jié)合TC4鈦合金高速車削加工的表面硬度值，判定其工件表面加工硬化區(qū)與質(zhì)量變化急劇區(qū)的深度約為70 μm。HUGHES等[11]在高速銑削 TC4 鈦合金試驗過程中發(fā)現(xiàn)：工件銑削過程中的表面損傷在表層以下60 μm 范圍內(nèi)，且工件表面的顯微硬度遠低于材料基體硬度。

隨著先進制造業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品的表面加工質(zhì)量越來越受到重視。據(jù)不完全統(tǒng)計，航空航天結(jié)構(gòu)件中由鈦合金材料制備的主要零部件，80%的表面有磨損和結(jié)構(gòu)損傷，除了部分是結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷與材料處理不當引起的，其余部分都是由產(chǎn)品表面質(zhì)量精度不夠引起的，而其中的表面粗糙度是影響其表面加工質(zhì)量的最主要因素之一[12]。

針對TC4鈦合金材料在PCD刀具高速銑削加工過程中的工藝參數(shù)變化對其表面質(zhì)量影響的相關(guān)研究成果不多。為提高鈦合金零件加工的表面質(zhì)量與綜合性能，用PCD刀具高速、高精度銑削鈦合金試件，研究銑削工藝參數(shù)對工件表面質(zhì)量和力學性能的影響。

1 銑削試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

銑削試驗材料為常規(guī)熱處理后的TC4鈦合金，規(guī)格80 mm×80 mm×45 mm，其化學成分如表1所示。熱處理工藝為：經(jīng)930 ℃固溶1 h后水冷；之后在500 ℃保溫4 h，空冷[13]。經(jīng)上述熱處理工藝后，TC4鈦合金的室溫力學性能如表2所示。

表1 TC4鈦合金化學成分

表2 TC4鈦合金室溫力學性能

1.2 試驗參數(shù)

采用逐步增加切削速度和每齒進給量的方法進行銑削試驗，研究工藝參數(shù)變化對工件表面質(zhì)量、表面硬度和殘余應(yīng)力等的影響規(guī)律，得出銑削最佳工藝參數(shù)組合。設(shè)定的數(shù)控銑削工藝參數(shù)如表3所示。

表3 銑削加工工藝參數(shù)

由于數(shù)控銑削程序中的切削速度通常與每齒進給量fz存在如下關(guān)系：

v=fz×M×k

(1)

其中：v為切削速度，mm/min；fz為實際加工時的每齒進給量；M為銑刀齒數(shù)；k為主軸轉(zhuǎn)速，試驗中將主軸轉(zhuǎn)速k設(shè)為定值16 000 r/min[14]。因此，切削速度v由每齒進給量fz決定。

1.3 銑削平臺

在大連機床FANUCoi系統(tǒng)B50立式五軸加工中心上，按照規(guī)范的裝夾定位原理，將試件固定于高精密臺虎鉗中，并利用高精度面銑刀對試件待加工表面進行初銑，以確保銑削的基準面精度；對初銑后的試件，利用臺灣SUMEK PCD 2齒立銑刀進行高速銑削加工，銑刀直徑φ12 mm，螺旋角45°。高速銑削過程采用煤油潤滑切削液進行冷卻，如圖1所示。

1.4 試件表面質(zhì)量與性能測試

將試件在溫度為(22±1) ℃的環(huán)境內(nèi)靜置24 h后進行性能檢測[14]，試驗平臺如圖2所示。

圖2 數(shù)字化測試試驗平臺

試件的平面度、平行度采用型號為Daisy8106的球頭式三坐標測量機結(jié)合INCA3D檢測軟件進行測量，測量時觸針采集角度垂直于工件表面，測頭直徑φ1 mm。表面粗糙度采用日本三豐CV3200型觸針式表面粗糙度儀測量，檢測時設(shè)置取樣長度為2.5 mm，評定長度為12.5 mm，測量方向平行于試件已加工平面。試件表面顯微硬度使用型號為FM-700的自動轉(zhuǎn)塔顯微維氏硬度計測量，加載載荷300 g，保壓時間15 s。試件表面形貌和刀具磨損形貌用國產(chǎn)SEM-3200掃描電子顯微鏡測量。試件表面殘余應(yīng)力用IXRD便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀測量，測量時的管電壓為18 kV，管電流為3 mA，衍射角度為129.36°[15-16]，測量方向平行于試件平面。

2 銑削試驗結(jié)果與分析

2.1 對工件平面度的影響

在表3條件下，工件銑削后的平面度測量結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：9組銑削試驗中，平面度最低值出現(xiàn)在第4組，為0.26 μm；而第9組的平面度值最大，為3.13 μm，且其銑削參數(shù)與第4組的區(qū)別較大。同時，第1、2、3組和第4、5、6組及第7、8、9組這3大組同為每組每齒進給量相同但切削深度不同，可看出隨切削深度增加，其平面度都隨之變大且變化的趨勢相同；在平面度較小的第1組、第4組和第7組工藝參數(shù)中，第4組的平面度值最小，而每齒進給量居中，可知平面度與每齒進給量的關(guān)系不太密切。因此，我們認為每齒進給量對平面度的影響較小，而切削深度的影響較大。

圖3 銑削參數(shù)對平面度的影響

綜合起來，要控制工件的平面度，切削深度要小，同時需要結(jié)合每齒進給量、主軸轉(zhuǎn)速進行綜合設(shè)置。選擇第4組的工藝參數(shù)加工鈦合金，其平面度最低。

2.2 對工件平行度的影響

圖4 銑削參數(shù)對平行度的影響

在表3條件下，工件銑削后的平行度測量結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：9組銑削試驗中，平行度低值出現(xiàn)在第4組和第7組，但最低值是第4組的，為0.64 μm；且圖4的平行度變化趨勢與圖3的平面度變化趨勢相同。因此，對工件平行度影響的因素也與圖3類似，即切削深度是影響工件平行度的主要因素。所以，在PCD刀具銑削TC4鈦合金時，第4組工藝參數(shù)能得到最佳的銑削平行度效果。

2.3 對工件表面粗糙度的影響

圖5給出了表3條件下工件銑削后的表面粗糙度測量結(jié)果。由圖5可知：9組試驗中，第3組、第5組、第6組和第9組這4組的表面粗糙度Ra值較大，其中最大的在第3組，為4.15 μm；且這4組的每齒進給量在0.03～0.10 mm/z變化時，均存在0.4～0.6 mm的較大切削深度。從圖5還可知：表面粗糙度較低值出現(xiàn)在第2組、第4組和第7組，其中最低的值在第4組，為0.63 μm；而這3組在每齒進給量0.03～0.10 mm/z變化時，均存在0.2～0.4 mm的較小切削深度。由此可知：PCD刀具銑削鈦合金時工件的表面粗糙度對切削深度較為敏感，基本上隨切削深度增加而增大。所以，在第4組參數(shù)組合下銑削工件，其切削深度最小，表面粗糙度值最小，試件表面質(zhì)量最好。

圖5 銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響

2.4 對工件表面形貌的影響

在表3條件下，工件銑削后的表面宏觀形貌如圖6所示。觀察圖6中9組條件下的TC4工件被加工表面，發(fā)現(xiàn)第4、5、6組條件下的工件表面形貌最好，其表面光滑、劃痕較少。再結(jié)合圖3、圖4和圖5得到的工件表面平面度、平行度及表面粗糙度結(jié)果，可知第4組加工條件下的TC4工件表面質(zhì)量最好、表面形貌最佳，因此要選擇第4組工藝參數(shù)來銑削TC4工件。

圖6 銑削參數(shù)對TC4工件表面形貌的影響

2.5 對刀具磨損形貌的影響

選擇第4組工藝參數(shù)，采用煤油冷卻潤滑方式，用PCD金剛石銑刀循環(huán)銑削TC4工件150次(總時間43.75 min)，完成后觀察刀具的磨損情況，如圖7所示。

圖7 銑削參數(shù)對PCD刀具磨損形貌的影響

從圖7可以看出：加工TC4工件150次后，銑刀的刀刃1和刀刃2的刀尖處出現(xiàn)少量磨鈍現(xiàn)象，這是由于刀尖處的強度比其他部位的強度稍低；同時，刀刃1與刀刃2的后角區(qū)也出現(xiàn)少量磨鈍現(xiàn)象，但刀刃本體未出現(xiàn)磨鈍痕跡。原因是切屑與刀具后刀面不斷摩擦產(chǎn)生切削熱，產(chǎn)生的熱軟化作用降低了刀具的強度，使刀具表層組織出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，造成了刀具后刀面的少量磨損。但刀具的這種磨損尚處于初期磨損向正常磨損發(fā)展的階段，且加工工件43.75 min后的刀具只出現(xiàn)如此少的正常磨損情況，表明刀具加工TC4工件時的耐用度較好且使用壽命較長[17]。

2.6 對工件表面顯微硬度的影響

對TC4而言，其表面硬度主要由加工區(qū)域的塑性變形與實際切削區(qū)的切削熱上升導致的熱軟化效應(yīng)共同決定。在表3條件下，工件銑削后的表面顯微硬度結(jié)果如圖8所示。從圖8看出：在每齒進給量固定而切削深度逐漸增加的情況下(分別是第1、2、3組和第4、5、6組以及第7、8、9組)，工件表面硬度階梯式下降；反過來，在切削深度固定而每齒進給量逐漸增加的情況下(分別是第1、4、7組和第2、5、8組以及第3、6、9組)，工件的表面顯微硬度值也隨每齒進給量的增加而下降。因此，TC4高速銑削過程的工件表面顯微硬度同時對切削深度和每齒進給量敏感。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是顯而易見的，因為切削深度和每齒進給量增加，產(chǎn)生的熱量增加，熱軟化效應(yīng)增強，使得工件的被加工表面顯微硬度下降。

圖8 銑削參數(shù)對表面顯微硬度的影響

從圖8還可看出：第1組參數(shù)下的工件表面硬度最高，為3 260 N/mm2，第9組參數(shù)下的硬度最低，為2 600 N/mm2。第1組的切削深度和每齒進給量參數(shù)最小，熱軟化效應(yīng)最小，所以工件的表面硬度接近于工件未加工前的硬度；而第9組的工藝參數(shù)值最高，故熱效應(yīng)最大，工件的表面硬度也降到最低。

綜合考慮，加工工件時既要保持硬度，又要有加工速度，故選擇第4組參數(shù)最合適。一方面加工后其硬度值為3 080 N/mm2，與第1組的3 260 N/mm2比下降不多，另一方面又有一定的切削深度和較大的每齒進給量，能保證工件的加工效率。

2.7 對工件表面殘余應(yīng)力的影響

在表3條件下，工件銑削后的表面殘余應(yīng)力如圖9所示。對TC4而言，工件表面的殘余應(yīng)力也主要由工件高速銑削過程的塑性變形與銑削熱共同決定。由圖9可知：工件表面的殘余應(yīng)力全為壓應(yīng)力(負值)，且在固定每齒進給量時隨切削深度增加，應(yīng)力絕對值逐漸減小(分別是第1、2、3組和第4、5、6組以及第7、8、9組)。同時，固定切削深度而每齒進給量增加時，壓應(yīng)力絕對值也是逐漸減小的(分別是第1、4、7組和第2、5、8組以及第3、6、9組)。應(yīng)力絕對值較小的組為第3、6、9組，其中第9組的應(yīng)力絕對值最小，為50 MPa，且彼此的應(yīng)力檢測值在-110～-50 MPa，差值較?。欢?、4、7組的應(yīng)力絕對值較大，但殘余應(yīng)力檢測值在-260～-240 MPa，差值也較小；第2、5、8組的應(yīng)力值居中。

圖9 銑削參數(shù)對表面殘余應(yīng)力的影響

綜合來看，工件表面的殘余壓應(yīng)力對切削深度較為敏感。原因是切削深度較小時，刀具高速切削工件的切深較小，工件的塑性變形量較小，熱效應(yīng)的影響也小，工件表面保持原有的較大殘余應(yīng)力；當切削深度逐漸增大時，工件的切削變形量逐漸增大，加工區(qū)的切削熱迅速上升，此時切削熱對殘余應(yīng)力的影響占主導，工件的表面殘余應(yīng)力值整體穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)。而對TC4鈦合金來說，工件高精加工后其表面殘余一定的壓應(yīng)力，對裂紋萌生和零件斷裂起抑制和延遲作用，且存在的殘余壓應(yīng)力可提高TC4鈦合金工件的抗疲勞性能，對提高工件的綜合耐用度是有益的[18]。

因此，對工件進行銑削加工時，既要保持其高精度、高質(zhì)量的加工要求，又要其保持一定的硬度，提高工件的綜合抗疲勞性能，故選擇第4組參數(shù)最合適。一方面，加工后TC4鈦合金試件的平面度、平行度及表面粗糙度最小，能達到高效、高質(zhì)量的加工效果；另一方面，選擇第4組參數(shù)進行加工后，工件的殘余壓應(yīng)力絕對值較大，表面顯微硬度適中。

3 結(jié)論

用2刃PCD刀具銑削TC4鈦合金，獲得的銑削最佳工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速v=16 000 r/min，切削深度ap=0.2 mm，每齒進給量fz=0.06 mm/z。在此參數(shù)下加工TC4鈦合金工件的PCD銑刀耐用度與使用壽命較長，工件的表面質(zhì)量與形貌較好，其平面度為0.26 μm，平行度為0.64 μm，表面粗糙度Ra為0.63 μm，表面顯微硬度為3 080 N/mm2，表面殘余應(yīng)力為-250 MPa。