車削去除鈦合金棒材表面氧化皮工藝參數(shù)試驗(yàn)研究

史麗晨，賈永康，張軍鋒

（西安建筑科技大學(xué)，西安 710055）

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、中溫性能好、耐腐蝕、無磁、焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船艦、石油、化工、冶金、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。隨著鈦合金的應(yīng)用量急劇上升，鈦合金的加工進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期[1]。高溫成形后的鈦合金棒材在空氣中放置后，表面會(huì)形成一層氧化皮[2]，如圖1 所示。由于機(jī)械零件的疲勞性能及其使用安全性多取決于零部件的表面紋理，而鈦合金棒材表面形成的氧化皮極大地影響了其表面質(zhì)量，去除表面氧化皮來提高表面質(zhì)量顯得尤為重要[3-6]。

圖1 表面帶氧化皮缺陷的鈦合金棒材Fig.1 Titanium alloy bar with oxide skin defect

通常，去除材料表面氧化皮的方法有磨削加工法、混合酸洗法、熔融堿浸處理法、苛性鈉-高錳酸鉀溶液浸洗處理法等。張來祥[7]等通過快速脫模-鈍化工藝對高溫加工后的銅合金表面產(chǎn)生的氧化皮進(jìn)行了去除，并提高了表面粗糙度。喬永蓮[8]等采用先熱堿洗后酸洗的工藝實(shí)現(xiàn)了對TC4 鈦合金表面氧化皮的去除，并對去除氧化皮后的鈦合金氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測定，結(jié)果表明，通過采用先熱堿洗、后酸洗的工藝，TC4 鈦合金表面的氧化皮可以被完全去除。劉巖[9]等采用噴淋酸洗技術(shù)對鈦合金板材及帶材表面的氧化皮進(jìn)行去除，提高了材料的成材率以及表面的光潔度。但是，通過化學(xué)方法去除材料表面氧化皮容易造成環(huán)境污染，而且化學(xué)試劑對材料易產(chǎn)生輕微化學(xué)腐蝕，致使表面產(chǎn)生麻點(diǎn)，從而使表面粗糙度增大[10-11]。同時(shí)，磨削加工法去除表面氧化皮會(huì)造成粉塵污染，且鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，利用磨削加工去除鈦合金棒材表面氧化皮時(shí)，容易造成表面燒傷和塑性變形[12]。

針對以上缺陷和不足，本文利用自主設(shè)計(jì)制造的XF-WXC 無心車床，通過表面車削的方式實(shí)現(xiàn)鈦合金棒材表面氧化皮的去除，無心車床結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其工作原理為：棒材由空心主軸前部的前夾送輥和前導(dǎo)向送入空心主軸；電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)空心主軸旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)空心主軸前端的刀盤（刀盤周向均布四把刀具）高速旋轉(zhuǎn)，對前夾送輥送入的棒材進(jìn)行表面氧化皮的去除；當(dāng)棒材脫離前夾送輥時(shí)，由后夾送輥和后導(dǎo)向確保棒材做持續(xù)的軸向運(yùn)動(dòng)，完成整根棒材表面氧化皮的去除[13-14]。這種去除表面氧化皮的方式高效、環(huán)保，經(jīng)驗(yàn)證，去除氧化皮后，棒材的表面粗糙度小于0.8 μm，達(dá)到了較高的加工精度。

國內(nèi)外對鈦合金加工工藝的研究已取得了很多成果。李登萬、楊翠蕾等人[15-16]對TC4 鈦合金進(jìn)行了車削試驗(yàn)，分析了車削工藝參數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系，結(jié)果表明，進(jìn)給量對表面粗糙度影響最大，切削深度次之，切削速度影響最小。王丹等人[17]對TC4 鈦合金車削工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了精車TC4 鈦合金時(shí)的最佳切削參數(shù)，其中，n=60 m/min，v=0.1 mm/r，ap=0.2 mm。Safari 等[18]采用端銑，對TC4 表面粗糙度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。Zhang 等[19]研究了切削條件對TC4 鈦合金高速干式銑削后表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)在較低的主軸轉(zhuǎn)速下，以較高的進(jìn)給速度進(jìn)行端銑可降低表面粗糙度。目前相關(guān)的研究主要集中在TC4 鈦合金的精加工以及半精加工工藝過程，對如何在生產(chǎn)實(shí)際中通過粗加工去除鈦合金表面氧化皮，并同時(shí)降低表面粗糙度的研究尚不多見。

圖2 試驗(yàn)裝置及加工示意圖Fig.2 Test device and processing diagram: a) centerless lathe; b) processing diagram

本文利用無心車床，以表面車削的方式去除TC4鈦合金棒材表面氧化皮，基于響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了表面處理過程中車削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律。確定了可行車削工藝參數(shù)域和工藝參數(shù)組合，為實(shí)際生產(chǎn)過程提供了更多工藝參數(shù)選擇，使無心車床在大進(jìn)給、大切削深度的工作條件下，高效、綠色地去除TC4 鈦合金棒材表面氧化皮的同時(shí)，還能獲得較低的表面粗糙度。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用XF-WXC 無心車床，通過表面車削的方式去除鈦合金棒材表面氧化皮。刀具選用抗彎強(qiáng)度高，抗沖擊、抗振性較好的YG8 硬質(zhì)合金刀具，刀具前角2°，后角5°，刃傾角0°，主偏角90°，刀尖圓弧半徑為0.3 mm。試件材料為高溫成形后在空氣中放置的TC4 鈦合金棒材，直徑為27 mm，表面氧化皮厚度小于0.5 mm，化學(xué)成分如表1 所示，室溫下的拉伸性能如表2 所示。

表1 TC4 鈦合金棒材的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of TC4 titanium alloy bar wt %

表2 TC4 鈦合金棒材的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of TC4 titanium alloy bar

在試驗(yàn)過程中，采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)中的中心復(fù)合設(shè)計(jì)法（Central Composite Design，CCD）規(guī)劃了主軸轉(zhuǎn)速（n）、進(jìn)給速度（v）和切削深度（ap）等自變量因子[20-21]?？紤]到材料的難加工性、車床性能、刀具特性以及表面氧化皮厚度等多方面因素，車削工藝參數(shù)水平的設(shè)定如表3 所示。為提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，選擇試件長度為1300 mm，在裝夾好試件后，先在試件前端往后300 mm 的試件長度上進(jìn)行試刀，在剩余的1000 mm 試件長度上進(jìn)行試驗(yàn)工藝參數(shù)加工。

表3 試驗(yàn)車削工藝參數(shù)及編碼Tab.3 Test turning process parameters and codes

2 結(jié)果及分析

2.1 表面粗糙度模型的建立

采用TIME TR200 粗糙度儀測量表面粗糙度。為了減小隨機(jī)誤差和測量誤差，隨機(jī)選取表面處理后外圓柱面上不同位置的3 個(gè)點(diǎn)，取3 次測量的平均值作為該組參數(shù)下的表面粗糙度值。試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表4 所示。為獲得去除表面氧化皮工藝的自變量（車削工藝參數(shù)）對因變量（表面粗糙度）的影響規(guī)律，構(gòu)建響應(yīng)曲面法中目標(biāo)響應(yīng)和輸入因子之間的二階數(shù)學(xué)預(yù)測模型[22]，如式(1)所示。

式中，輸出因子y(x)為表面粗糙度Ra；輸入因子x1、x2、x3分別表示主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度v、切削深度ap；α0、αi、αij、αii為模型系數(shù)；ε為誤差。

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，利用MINITAB 對其進(jìn)行非線性回歸后，得到在去除表面氧化皮時(shí)，表面粗糙度與工藝參數(shù)之間的多元二階預(yù)測模型，如式(2)。

表4 表面粗糙度（Ra）的試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of surface roughness

2.2 表面粗糙度預(yù)測模型的方差分析

表5 中，模型的F代表整個(gè)回歸方程模型的顯著性，P代表回歸方程模型的顯著性水平。給定顯著性水平的標(biāo)準(zhǔn)F值為F0.05(9,10)=3.020，模型的F=57.28>3.020，且P<0.0001，小于置信系數(shù)0.05，表明模型的可信度較高。R-Sq 表示預(yù)測值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度，R-Sq(adj)=96.38%，且R-Sq 和R-Sq(adj)很接近，表明吻合度很高。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度對應(yīng)的F值代表工藝參數(shù)對表面粗糙度的顯著性，且對應(yīng)的F值均大于3.020，P值代表工藝參數(shù)對表面粗糙度的顯著性水平，對應(yīng)的P值均小于置信系數(shù)0.05，表明表面粗糙度值由主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度共同決定。結(jié)合表5 中主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度的P值以及 paF＞Fv＞Fn，可以發(fā)現(xiàn)，切削深度對表面粗糙度影響更顯著，進(jìn)給速度次之，主軸轉(zhuǎn)速影響最小。在工藝參數(shù)交互作用中，v-ap交互作用所對應(yīng)的表面粗糙度的顯著性水平P<0.0004，對Ra的影響最大。圖3a 為表面粗糙度實(shí)際值-預(yù)測值分布，表面粗糙度實(shí)際值大部分都分布在擬合線周圍且都處于顯著性曲線內(nèi)部。圖3b 為表面粗糙度預(yù)測值-實(shí)際值柱狀對比，預(yù)測值與實(shí)際值之間無明顯差別，誤差值范圍在1.66%～3.33%，精度較高。綜上所述，基于響應(yīng)曲面法得到的表面粗糙度與車削工藝參數(shù)之間的多元二階預(yù)測模型，可作為表面粗糙度的預(yù)測模型。

表5 表面粗糙度預(yù)測模型方差分析結(jié)果Tab.5 Variance analysis results of prediction model of surface roughness and process parameters

圖3 表面粗糙度預(yù)測值與實(shí)際值的分布和對比Fig.3 Distribution and comparison of predicted and actual surface roughness-comparison: a) distribution of predicted and actual surface roughness values; b) comparison between predicted and actual surface roughness

2.3 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律分析

2.3.1 表面粗糙度對車削工藝參數(shù)的敏感度分析

為選擇合適的車削工藝參數(shù)，獲得較低的表面粗糙度值，往往要定量分析表面粗糙度對車削工藝參數(shù)的敏感性特征[23]。圖4 中的實(shí)線為表面氧化皮厚度小于0.5 mm 的鈦合金棒材的表面粗糙度與車削工藝參數(shù)之間的因素-效應(yīng)曲線。同時(shí)，考慮到不同氧化皮厚度的鈦合棒材在表面處理后，表面粗糙度的變化趨勢受工藝參數(shù)影響是否一致，通過調(diào)整切削深度，對直徑為27 mm、表面氧化皮厚度小于0.7 mm 的鈦合金棒材進(jìn)行了如表6 所示的單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與處理表面氧化皮厚度小于0.5 mm 的鈦合金棒材一致，結(jié)果如圖4 中虛線所示。

圖4 表面粗糙度Ra 與車削工藝參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系Fig.4 Response relationship between surface roughness and turning process parameters: a) relationship between n and Ra response, b) relationship between v and Ra response, c) relationship between ap and Ra response

表6 表面氧化皮厚度為0.7 mm 的TC4 鈦合金棒材單因素試驗(yàn)Tab.6 Single factor test of TC4 titanium alloy bar with 0.7 mm surface oxide thickness

圖4a 為主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響趨勢。從圖中可以看出，主軸轉(zhuǎn)速由400 r/min 增加到800 r/min的過程中，表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速的增大會(huì)使刀具帶走更多的切削熱；但當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于某個(gè)臨界值（大約為600 r/min）時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)中的帶傳動(dòng)出現(xiàn)較大抖動(dòng)，從而引起刀具產(chǎn)生較大的振動(dòng)，使表面粗糙度增大。通過圖中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可知，不能一味地通過增大主軸轉(zhuǎn)速來獲得較低的表面粗糙度，還要關(guān)注到主軸轉(zhuǎn)速增大到某個(gè)臨界值時(shí)，表面粗糙度變化趨勢的改變。在主軸轉(zhuǎn)速的臨界值附近，可獲得較為理想的表面粗糙度。

圖4b 為進(jìn)給速度與表面粗糙度間的關(guān)系。從圖中可以看出，進(jìn)給速度在900～1300 mm/min 增加時(shí)，表面粗糙度值呈先減小后增大的趨勢。進(jìn)給速度的降低使得刀具和被加工材料之間的摩擦和擠壓劇烈，單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱停留在被加工表面的時(shí)間延長，由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，從而更容易使被加工工件產(chǎn)生塑性變形，甚至粘附在刀具的車削刃上，使表面粗糙度增大。而當(dāng)進(jìn)給速度大于某個(gè)臨界值（大約為1100 mm/min）時(shí)，進(jìn)給速度的增大會(huì)迅速提高切削溫度，加劇刀具磨損，導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。進(jìn)一步分析圖4b，對比轉(zhuǎn)折臨界進(jìn)給速度左右兩邊的粗糙度值可以發(fā)現(xiàn)，左邊的粗糙度值要低于右邊的粗糙度值，說明在進(jìn)給速度相對較低時(shí)，可以獲得較低的表面粗糙度。對比圖4b 中的實(shí)線和虛線可以發(fā)現(xiàn)，在大致相同區(qū)域的折線段中，氧化皮厚度約為0.7 mm的曲線線段斜率大于氧化皮厚度為0.5 mm 的值，可見在相同工藝參數(shù)條件下，氧化皮厚度越大的鈦合金棒材對進(jìn)給速度的敏感度越大。

圖4c 為切削深度對表面粗糙度的影響趨勢。在保證表面氧化皮去除完全的前提下，表面粗糙度隨著切削深度的增大而增大。切削深度增加會(huì)導(dǎo)致切削力增大，從而加劇刀具的振動(dòng)，導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。

由圖4a—4c 中Ra最小時(shí)對應(yīng)的工藝參數(shù)可知，選擇中主軸轉(zhuǎn)速、中進(jìn)給速度和小切削深度可獲得較低的表面粗糙度。以上分析還表明，處理不同氧化皮厚度的鈦合金棒材時(shí)，車削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響趨勢相似。

2.3.2 車削工藝參數(shù)交互作用對表面粗糙度的影響

以上分析還表明，處理不同氧化皮厚度的鈦合金棒材時(shí)，削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響趨勢相似，因此對氧化皮厚度小于0.5 mm 的鈦合金棒材展開分析。根據(jù)表面粗糙度的預(yù)測方程，在確定某一影響因素的水平后，可得到其余兩種因素之間交互作用對表面粗糙度的影響規(guī)律[24]。以工藝參數(shù)的零水平為參考，分別討論工藝參數(shù)之間的交互作用對表面粗糙度的影響規(guī)律。各車削工藝參數(shù)交互作用對表面粗糙度Ra的影響規(guī)律如圖5 所示。由圖5a 和5b 可知，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，隨著n的增大，表面粗糙度表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，但變化不明顯；由圖5a 和5c可知，隨著v的增大，表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢，變化幅值相對較大。結(jié)合圖5b 和5c，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨ap的增大，表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，ap從0.5 mm 增大到0.58 mm 過程中，表面粗糙度有略微減小的趨勢，但變化的幅值很??；隨著ap從0.6 mm 增大到0.9 mm 時(shí)，表面粗糙度有明顯增大趨勢。在圖5a—5c 的曲面圖中尋找曲面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)圖5c 中的最高點(diǎn)Ra為1.741 μm，是圖5a—5c的曲面圖中表面粗糙度的最大值；最低點(diǎn)的Ra表面粗糙度為0.659 μm，是圖5a—5c 的曲面圖中表面粗糙度的最小值。表明在工藝參數(shù)的交互作用中，v-ap之間的交互作用對表面粗糙度的影響更顯著。

圖5 Ra 與車削工藝參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系Fig.5 Response relationship between Ra and turning process parameters: a) response relationship between Ra and n, v (ap=0.7 mm);b) response relationship between Ra and n, ap (v=1100 mm/min); c) response relationship between Ra and v, ap (n=600 r/min)

3 可行工藝參數(shù)域的確定

在精加工車削鈦合金時(shí)，采用較小進(jìn)給量（0.1～0.15 mm/r）和較小切削深度（0.1～0.4 mm）可獲得較低的表面粗糙度值（小于0.8 μm）[25]。而本文在去除鈦合金棒材表面氧化皮時(shí)，根據(jù)表面氧化皮厚度確定的切削深度相對較大，進(jìn)給速度相對于普通車床也較大。在大進(jìn)給、大切削深度的工作條件下，利用無心車床車削去除鈦合金棒材表面氧化皮的同時(shí)，是否能獲得較低的表面粗糙度值，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。本文依據(jù)工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，得到圖6 所示的等值線圖。

通過獲取圖6a—6c 中Ra最小時(shí)對應(yīng)的等值線邊界值或拐點(diǎn)，從而確定可行工藝參數(shù)域的取值范圍，如表7 所示。對表7 中Ra小于0.8 μm 對應(yīng)的工藝參數(shù)范圍取交集，將結(jié)果作為確定可行工藝參數(shù)域的參考。由等值線圖可知，當(dāng)ap>0.8 mm 時(shí)，表面粗糙度值均大于0.8 μm，進(jìn)一步說明，切削深度對表面粗糙度的影響顯著。同時(shí)，如圖7 所示，利用MINITAB響應(yīng)優(yōu)化器的響應(yīng)曲面優(yōu)化法對表面粗糙度預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化分析，得到滿意度為 1 的理論最優(yōu)解Ra=0.6576 μm，小于0.8 μm，其對應(yīng)n=590 r/min，v=1090 mm/min，ap=0.56 mm，這組工藝參數(shù)可作為可行工藝參數(shù)組合的一個(gè)試驗(yàn)方案，記作min-Ra。鑒于可行工藝參數(shù)域ap的值介于0.5～0.66 mm，ap取0.5 mm、0.58 mm（0.5 和0.66 的均值）、0.66 mm，其中，ap取0.58 和min-Ra中對應(yīng)ap值很接近，從一定程度上說明，確定的可行工藝參數(shù)域范圍是合理的。

圖6 Ra 相對于車削工藝參數(shù)的等值線圖Fig.6 Contour map of Ra relative to turning process parameters: a) contour map of Ra relative to n and v; b) contour map of Ra relative to ap and v; c) contour map of Ra relative to n and ap

圖7 利用響應(yīng)優(yōu)化器得到的最優(yōu)參數(shù)組合Fig.7 Optimal parameter combination obtained by response optimizer

表7 可行工藝參數(shù)域Tab.7 Feasible process parameter field

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用等值線圖和響應(yīng)優(yōu)化器得到可行工藝參數(shù)域，將主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度適當(dāng)組合，作為理論上滿足Ra<0.8 μm 的工藝參數(shù)組合。表8 為試驗(yàn)方案及表面粗糙度測量結(jié)果，由結(jié)果可知，在采用可行工藝參數(shù)組合對鈦合金棒材進(jìn)行表面處理時(shí)，表面粗糙度值Ra均小于0.8 μm，其中方案min-Ra得到的表面粗糙度最小。該試驗(yàn)表明，在大進(jìn)給、大切削深度的工作條件下去除鈦合金棒材表面氧化皮時(shí)，利用在確定的可行工藝參數(shù)域篩選出的可行工藝參數(shù)組合，可獲得較低的表面粗糙度值。生產(chǎn)實(shí)際中，在滿足加工質(zhì)量的條件下，兼顧加工效率，有多種工藝參數(shù)方案可供選擇。

表8 可行工藝參數(shù)試驗(yàn)方案及Ra 測量結(jié)果Tab.8 Test scheme of feasible process parameter domain test scheme and Ra test results after surface treatment

5 結(jié)論

1）針對鈦合金表面氧化皮去除的新工藝，建立了基于響應(yīng)曲面法的表面粗糙度與車削工藝參數(shù)之間預(yù)測模型，預(yù)測值誤差在1.66%～3.33%，預(yù)測模型精度較高，預(yù)測值與實(shí)測值無顯著差異。

2）由表面粗糙度預(yù)測模型的方差分析可知，去除表面氧化皮車削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響次序?yàn)椋篴p>v>n。采用響應(yīng)曲面法分析了交互作用對表面粗糙度的影響規(guī)律，其中，v-ap的交互作用對表面粗糙度的影響最顯著。

3）通過對比不同表面氧化皮厚度的鈦合金棒材的車削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，車削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響趨勢不受表面氧化皮厚度的影響，表面粗糙度隨n、v的增大呈先減小后增大的趨勢，隨ap的增大呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢。在表面氧化皮完全去除的前提下，采用中主軸轉(zhuǎn)速、中進(jìn)給速度、小切削深度可降低表面粗糙度值。

4）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，采用由等值線圖和MINITAB響應(yīng)優(yōu)化器兩種方式得到的可行工藝參數(shù)組合作為表面處理的車削工藝參數(shù)時(shí)，可獲得較低的表面粗糙度。這表明通過分析等值線圖，對表面粗糙度模型優(yōu)化，獲取工藝參數(shù)域的方法是可行的，可為實(shí)際的生產(chǎn)提供多種選擇，也驗(yàn)證了無心車床在大進(jìn)給、大切削深度的工作條件下去除鈦合金棒材表面氧化皮的同時(shí)，可獲得較好的表面質(zhì)量。