AlTiN涂層刀具精銑TC4鈦合金工藝參數(shù)的影響與優(yōu)化*

王 勝 周明安 魏小華 余文利② 鄭麗文②

(①衢州職業(yè)技術學院機電工程學院，浙江 衢州 324000；②浙江大學機械工程學院，浙江 杭州 310027)

TC4鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，其擁有密度小、強度高、韌性強的優(yōu)良性能，被廣泛用于高端精密及航空航天等較為重要的零部件上[1]。但鈦合金的彈性模量小、化學活性強及導熱系數(shù)低，使得鈦合金機械切削加工性能相對較差，在精銑削過程中的工件表面加工質量不高、加工效率低的現(xiàn)象很嚴重[2-3]。

國內外學者對TC4鈦合金在數(shù)控加工領域開展了系統(tǒng)深入的試驗研究，并取得了TC4鈦合金數(shù)控加工工藝參數(shù)對其形狀精度、切削溫度及微觀組織等方面的影響規(guī)律。朱德榮等人[3]設計了TC4 盤銑開槽正交實驗，研究 TC4 盤銑表面變質層規(guī)律及工藝參數(shù)對變質層的影響,得出了銑削速度對TC4鈦合金加工質量的影響規(guī)律。邵明輝等人[4]對TC4標準試件進行單軸拉伸試驗，得到了鈦合金材料的基本力學性能參數(shù)，分析了車削溫度和車削三向振動加速度之間的關系，得到最優(yōu)車削工藝參數(shù)。劉士杰等人[5]分別在正極性和負極性條件下對TC4 鈦合金進行混粉準干式電火花表面強化，分析了強化層微觀組織結構及性能，為鈦合金的數(shù)控加工提供了工藝參考。馮毅雄等人[6]建立了TC4鈦合金高速銑削加工模型，研究了薄壁鈦合金加工工藝參數(shù)理論，驗證了模型預算的正確性與有效性。羅學全等人[7]以TC4鈦合金為銑削對象，研究分析了PVD涂層刀具在銑削TC4過程中的刀具失效形式與工件表面質量的變化。王健杰等人[8]采用自行設計的球形固結磨料磨頭開展TC4鈦合金研磨實驗，分析了研磨成形機理與模型優(yōu)化，得到了最佳研磨工藝與參數(shù)。劉熊等人[9]利用干式電火花加工技術，對TC4鈦合金進行表面強化作用，得出了鈦合金強化層硬度性能較好的結論。Che-Haron[10]等人對TC4鈦合金進行車削后的表面硬度值測定，試驗得出TC4表面銑車削硬化區(qū)域表面質量變化深度的關系，為高速車削TC4提供參考依據(jù)。Hughes[11]等人對TC4 鈦合金進行銑削試驗，分析優(yōu)選了刀具刃口幾何角度對工件表面完整性的切削工藝。

隨著航空制造業(yè)的不斷發(fā)展，TC4鈦合金產品零件的加工精度及表面質量等性能指標，便成為學者研究的熱點方向。但目前針對TC4鈦合金材料在AlTiN涂層刀具精銑加工過程中，工藝參數(shù)變化對TC4鈦合金加工質量及力學性能影響的相關研究成果不多。鑒于此，本文以4齒刃AlTiN涂層刀具精銑加工TC4鈦合金為研究方向，綜合分析了精銑工藝參數(shù)對TC4試件表面粗糙度、平面度、平行度、刀具磨損、工件表面形貌、殘余應力及顯微硬度的影響規(guī)律。

1 精銑試驗設計

1.1 試驗材料

采用試驗材料為普通熱處理后的TC4鈦合金，試驗毛坯規(guī)格：65 mm×65 mm×40 mm。熱處理工藝為：經900 ℃固溶1 h后水冷；再經400 ℃時效3.5 h后，空冷。經上述熱處理后，TC4的室溫力學性能如表1所示，化學成分如表2所示[12-13]。

表1 TC4鈦合金室溫力學性能

表2 TC4鈦合金化學成分 ωt/(%)

1.2 試驗參數(shù)

在合理的切削工藝參數(shù)范圍內，設定精銑工藝參數(shù)進行加工試驗，研究不同工藝參數(shù)對TC4鈦合金試件的平面度、平行度、表面粗糙度、刀具磨損形貌、工件表面形貌、表面殘余應力及表面顯微硬度各指標的影響變化規(guī)律，并優(yōu)選出精銑參數(shù)條件下最佳工藝參數(shù)組合。試驗中將主軸均值設定為精銑轉速n=8 000 r/min[14]，結合切削參數(shù)公式，刀具進給速度F(mm/min)與每齒進給量fz的關系：F=fz×Z×n(Z為銑刀齒數(shù)；n為主軸轉速；fz為每齒進給量)，所以，當設定n為定值時，進給速度F值取決于每齒進給量fz值設置相應的精銑加工參數(shù)如表3所示。

表3 精銑試驗工藝參數(shù)表

1.3 精銑試驗平臺

試驗中選擇云南機床廠制造的高精密VMC850 立式五軸加工中心(FANUC系統(tǒng))，按照高精度銑削加工的定位與毛坯處理要求，將4齒刃AlTiN刀具裝夾至加工中心主軸上，將TC4鈦合金毛坯型材固定于高精密夾具中，并用直徑為100 mm的面銑刀進行試驗前基準平面加工，以滿足銑削試驗基準面高精度的要求[14]。對銑削試驗切削成形后的9組試件，采用特定品牌AlTiN涂層四齒刃立銑刀，刀具參數(shù)為：螺旋角為45°、直徑為10 mm。精銑加工全程采用博潤Microsol 585切削液全程潤滑及冷卻，如圖1所示。

1.4 試件表面質量與加工精度測試

如圖2所示，將數(shù)字化測試檢測環(huán)境溫度設置成22±1 ℃，將9組試件放置在檢測室24 h后進行各項指標的檢測[14]。試件平面度和平行度的測量，采用愛德華公司全閉環(huán)高精度Daisy8106型三坐標測量機，選擇觸針頭直徑為0.5 mm的測針，數(shù)據(jù)采集方式為垂直于工件成形平面，同時結合INCA3D軟件進行指標測量。表面粗糙度采用高精密CV3200的日本三豐全自動式輪廓與粗糙度一體儀進行測量，設置工件寬度為2 mm，測量長度為10 mm，選擇平行于試件已加工平面的無損檢測方式。試件表面形貌和刀具磨損形貌使用國產KYKY-EM3200掃描電子顯微鏡進行測量。表面殘余應力選擇iXRD便攜式X射線殘余應力測試儀測量，設置管電壓為16 kV，管電流為2 mA,衍射角度為128.33°[15-16]，平行于試件平面測量。表面顯微硬度選擇上海牌自動轉塔顯微維氏硬度計測量，加載載荷為200 g，保壓時間為10 s。

2 精銑試驗結果與分析

2.1 精銑參數(shù)對平面度與平行度的影響

2.1.1 平面度的檢測

設定工藝參數(shù)條件下精銑加工對平面度的影響規(guī)律如圖3所示。在表3條件下，銑削試驗的9件試件中，平面度值最低出現(xiàn)在 5#參數(shù)，即每齒進給量fz=0.04 mm/z，切削深度Δd=0.5 mm。由此可見此參數(shù)在精銑加工TC4鈦合金過程中，作為平面度的控制最有效，參數(shù)組合最合理，能得到高質量平面加工精度。再次分析圖3可知，試件平面度值最大為9#參數(shù)，平面度值為3.63 μm，其精銑參數(shù)fz=0.08 mm/z，Δd=0.7 mm，在設定的參數(shù)中數(shù)值最大。由此可知平面度的控制，切削深度Δd與每齒進給量fz較大時，AlTiN刀具銑削鈦合金平面度難以保證，要得到高精度的平面度需要結合主軸轉速、切削深度、每齒進給量的綜合設置，優(yōu)選5#參數(shù)進行精銑加工時試件平面度最好，平面度值最小為0.39 μm。

2.1.2 平行度的檢測

先采用高精度面銑刀對鈦合金表面進行精銑，獲得待精銑加工表面的參照平面后，再利用AlTiN刀具結合精銑工藝參數(shù)對鈦合金進行精銑加工，并將加工成形后的表面作為平行度檢測面，經三座標測量后平行度綜合變化規(guī)律曲線如圖4所示。綜合分析平行度變化曲線發(fā)現(xiàn)，精銑加工試驗的9件試件中，平面度值最低仍為5#參數(shù)。由此可知，TC4鈦合金在AlTiN刀具銑削過程中，綜合選擇5#工藝參數(shù)(每齒進給量fz=0.04 mm/z，切削深度Δd=0.5 mm)進行銑削，能夠得到最佳的銑削平行度。

2.2 銑削參數(shù)對表面質量的影響

精銑工藝參數(shù)對TC4鈦合金加工表面粗糙度的影響規(guī)律曲線如圖5所示。其中，Ra為輪廓算術平均粗糙度值，結合表3，綜合分析圖5可知，在3#、6#、9#參數(shù)下粗糙度值較大，其中最大值出現(xiàn)在9#參數(shù)，其Ra=4.51 μm,且這3組參數(shù)的每齒進給量在0.02～0.08 mm/z變化的過程中，均存在0.7 mm 的最大切削深度。再次分析圖5可知，在1#、4#、5#、7#參數(shù)條件下試件粗糙度值較小，其中最小值出現(xiàn)在5#參數(shù)，其Ra=0.70 μm,且這4組每齒進給量由0.02～0.08 mm/z變化過程中，均存在0.3～0.5 mm的較小切削深度。

綜上可知，AlTiN刀具精銑加工TC4鈦合金時，工件表面粗糙度隨切削深度的增大而增大，試件在5#參數(shù)下精銑加工時，粗糙度值最小，加工質量最高。

2.3 銑削參數(shù)對表面形貌與刀具的影響

2.3.1 對工件表面形貌影響

在表3條件下，對試驗完成后的TC4工件表面宏觀形貌進行觀察，如圖6所示。從不同精銑工藝參數(shù)條件下試件表面形貌可以看出：當切削深度為定值而每齒進給量由0.02增至0.08 mm/z的情況下，即1#、4#、7#和2#、5#、8#及3#、6#、9 #參數(shù)條件下，工件表面宏觀形貌發(fā)生了明顯變化，主要隨每齒進給量的增大，呈“先好后差”的變化趨勢，可見工件表面形貌對每齒進給量的變化敏感。再結合圖6分析，發(fā)現(xiàn)4#、5#、6#參數(shù)組下的工件表面形貌較好，其工件表面光潔度、刀路紋理及平滑度較好；再次結合圖3～5得到的加工質量結果，綜合考慮選擇5#參數(shù)進行精銑加工，工件表面質量與表面形貌最好。

2.3.2 對刀具磨損形貌影響

在表3條件下，以保證TC4鈦合金高速銑削加工質量為前提，利用AlTiN刀具在選擇第5組參數(shù)下，采用博潤Microsol 585冷卻液潤滑方式循環(huán)銑削100次(300 s)，刀具磨損宏觀形貌如圖7所示。從圖7可以看出：刀尖1～4均出現(xiàn)不同程度的磨鈍現(xiàn)象，這是由于刀尖處刀具強度較弱造成的；同時，刀刃1～4以及端刃后角也存在磨鈍現(xiàn)象，這是由于精銑削過程中的切削熱引起刀具表面組織的熱軟化作用造成的；再次觀察圖7發(fā)現(xiàn)，刀刃、刀尖以及端刃后角的磨損僅表現(xiàn)為刀具表層組織的磨損，其正處于正常磨損階段，此階段下刀具有效耐用度與使用壽命最長[17]。

2.4表面殘余應力的影響

精銑工藝參數(shù)對TC4鈦合金表面殘余應力的影響規(guī)律如圖8所示。TC4工件精銑加工表面主要表現(xiàn)為殘余壓應力，其主要由加工區(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共同作用決定[15]。綜合分析圖8表面殘余壓應力曲線規(guī)律，表面殘余壓應力絕對值處于最高的位置發(fā)生在1#參數(shù)下，其每齒進給量fz與切削深度Δd值最小，即此時工件表面切削層處于低進給量與低切削速度的狀態(tài)，熱軟化作用在工件表面并不明顯。當切削深度Δd值逐漸增大的過程中，由圖8可看出，工件表面殘余壓應力隨Δd的增大而逐漸下降，此時工件表面的熱軟化作用較為明顯，造成已加工表面殘余壓應力值下降。隨著Δd值的變化，工件表面殘余應力值也呈現(xiàn)規(guī)律性的波動，直到切削深度為0.7 mm，每齒進給量為0.08 mm/z時，出現(xiàn)表面殘余壓應力值最小為-45 MPa，此時刀具的進給切削速度最大，切削深度最大，工件表面的熱軟化作用占據(jù)主導位置，加工表面殘余應力值隨之降低。可見，AlTiN刀具精銑TC4表面時均存在殘余壓應力，而金屬表面的殘余壓應力可提高材料的抗疲勞性能，對工件的耐用度是有益的[17]。

綜上分析可知，TC4表面殘余應力值同時受切削深度與每齒進給量的增大而減少。在精銑過程中既要保持適中的殘余應力，又要有較好的加工質量與效率，所以5#參數(shù)為最佳選擇。

2.5 表面顯微硬度的影響

精銑工藝參數(shù)對TC4鈦合金表面顯微硬度值的影響規(guī)律如圖9所示。精銑加工后，表面顯微硬度值最高出現(xiàn)在1#工藝參數(shù)，其每齒進給量fz=0.02 mm/z和切削深度Δd= 0.3 mm,在9件加工工藝參數(shù)中的值最小，導致工件表面切削層處于低進給量與低切削速度的狀態(tài)，熱軟化作用在試件表面不明顯。結合表3，再次分析圖9可知，當設定每齒進給量fz=0.02 m/z狀態(tài)下的1#、2#、3#參數(shù)，隨著切削深度由0.3 mm增至0.7 mm的過程中，顯微硬度值由307 HV0.2逐漸降至275 HV0.2，呈下降的規(guī)律。同時，當設定fz=0.04 mm/z狀態(tài)時的4#、5#、6#參數(shù)和設定fz=0.08 mm/z狀態(tài)時的7#、8#、9#參數(shù)，而表現(xiàn)出的2段曲線變化規(guī)律，其顯微硬度值均隨切削深度的增大，呈明顯下降規(guī)律。綜上分析可知，當切削深度越大試件的顯微硬度值越小，最小值出現(xiàn)在9#參數(shù)精銑時，顯微硬度值為184 HV0.2。

綜合考慮，AlTiN刀具對TC4工件精銑加工既要實現(xiàn)高質量高精度的加工，又要保持工件硬度及耐用度，所以5#參數(shù)精銑工件為最佳選擇。因為在5#參數(shù)條件下精銑工件的平行度、平面度、表面粗糙度及工件形貌最好，達到高質高精加工要求，并且工件殘余壓應力絕對值與表面顯微硬度值均適中。

3 結語

本文研究了特定品牌4齒刃AlTiN刀具在精銑TC4鈦合金過程中的每齒進給量、切削深度等精銑工藝參數(shù)的變化，對工件平面度、平行度、表面粗糙度、表面形貌、殘余應力、顯微硬度以及刀具磨損形貌的影響規(guī)律,具體結論如下：

(1)在AlTiN刀具精銑削TC4鈦合金試驗中，獲得的最優(yōu)精銑工藝參數(shù)為主軸轉速n=8 000 r/min，切削深度Δd=0.5 mm，每齒進給量fz=0.04 mm/z，在此精銑參數(shù)條件下，刀具處在正常磨損階段，此時刀具的耐用度與使用壽命預期較長，工件精銑加工表面形貌和加工質量最好。具體指標分別是：平面度為0.39 μm，平行度為0.33 μm、表面粗糙度為0.70 μm、表面殘余應力為-175 MPa、表面顯微硬度為269 HV0.2。

(2)在設定精銑工藝參數(shù)試驗條件下，表面殘余應力同時受切削深度與每齒進給量的增大而減少；表面顯微硬度值主要受切削深度的影響較為敏感，顯微硬度值主要隨切削深度值的增大而減小。