TA6V鈦合金離心葉輪表面殘余應力控制技術研究

方嵐楓 王鐵海 郭君偉 戎漪婷 周春雷

摘要：為保證離心葉輪產(chǎn)品長壽命、高可靠性的要求，提高產(chǎn)品質量和制造過程穩(wěn)定性，必須采取有效措施控制其表面完整性。本文對離心葉輪應力分布進行了分析，制定了離心葉輪關鍵區(qū)域的控制方案;對常規(guī)切削速度和冷卻條件下，采用硬質合金球頭銑刀銑削TA6V鈦合金離心葉輪葉片最終0.2mm余量時，切削速度和進給量對表面殘余應力的影響，以及采用硬質合金車刀片車削TA6V鈦合金離心葉輪內(nèi)孔和端面最終0.2mm余量時，切削速度和進給量對表面殘余應力的影響，開展了試驗研究和分析，得出了切削速度、進給量與切削表面殘余應力的關系，提出了TA6V鈦合金離心葉輪表面殘余應力控制的一般解決思路。

關鍵詞：TA6V鈦合金 ?離心葉輪 ?表面殘余應力 ?切削速度 ?進給量

前言

鈦合金材料具有比強度高、熱強度好、耐腐蝕性好、低溫性能好等優(yōu)點，在航空發(fā)動機領域得到廣泛應用，很多離心式壓氣機的離心葉輪都采用了鈦合金材料。離心葉輪是航空發(fā)動機的重要零件，幾何形狀復雜，在高溫高轉速條件下工作，承受離心力、氣動和振動等復雜載荷，對抗疲勞性能有較高要求。

試驗和研究表明，鈦合金零件在拉伸應力和特定鹵化物等腐蝕環(huán)境共同作用下，會產(chǎn)生應力腐蝕開裂，嚴重影響零件的抗疲勞性能和使用壽命。在零件的生產(chǎn)過程中，要避免零件接觸高濃度的鹵化物等腐蝕介質，并且應對零件表面的殘余應力進行控制，保證加工過程中產(chǎn)生的表面殘余應力始終為壓應力。

隨著抗疲勞制造技術的深入研究和應用，很多重要產(chǎn)品的制造過程都對零件的表面完整性提出了要求，在生產(chǎn)過程中可以通過噴丸、激光沖擊強化等特種工藝方法在零件加工表面實現(xiàn)特定的殘余壓應力。但是離心葉輪結構復雜，葉片型面曲率變化大，流道和內(nèi)孔空間可達性差，這些方法的應用受到很大限制，并且成本較高。通過在切削過程中對零件的表面完整性指標進行控制，是最為有效的辦法，能夠在滿足產(chǎn)品質量和表面完整性要求的同時，有效提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。本文基于某型離心葉輪零件的研制過程，研究不同加工參數(shù)對離心葉輪表面殘余應力的影響。該零件采用的TA6V鈦合金是法國進口鈦合金材料牌號，對標近似美國的Ti6Al4V和國內(nèi)的TC4材料。

1 研究現(xiàn)狀及本項目研究內(nèi)容

1.1 殘余應力的定義和產(chǎn)生機理

殘余應力主要是由構件內(nèi)部不均勻的塑形變形引起的，是指在沒有外力作用于物體時，物體內(nèi)部保持平衡的應力，是固有應力的一種。根據(jù)殘余應力影響的程度把殘余應力分為宏觀殘余應力和微觀殘余應力。1973年德國學者E.Macherauch又將宏觀殘余應力稱為第一類殘余應力，將微觀殘余應力分為第二類和第三類殘余應力[1][2]。

殘余應力的產(chǎn)生機理，目前從理論上定量分析尚存在困難。切削加工表面殘余應力的產(chǎn)生原因主要包括機械應力引起的殘余應力、熱應力引起的殘余應力和相變引起的殘余應力。在切削加工過程中，引起不均勻塑形變形的機械應力和熱應力總是同時存在，是熱-力耦合的熱彈塑性問題[1]。

1.2 表面殘余應力檢測技術

殘余應力的檢測方法分為有損檢測和無損檢測兩類。有損檢測方法是通過逐漸去除材料，使構件相應部位的殘余應力釋放出來，再通過對被測構件尺寸變化的測量計算殘余應力，主要包括鉆孔法、盲孔法、取條法、切槽法、剝層法等，其中工程應用較多的是鉆孔法。無損檢測方法是通過物理方法，測量材料內(nèi)部物理常量在應力場中的變化，再間接計算出殘余應力值，主要包括X射線衍射法、中子衍射法、同步衍射法、超聲波法、電子散斑干涉法和磁性法，其中工程應用最廣泛的是X射線衍射法[1][2]。

X射線衍射法的穿透能力有限，在鋼鐵等金屬材料中的穿透深度約為0.01mm。因此，X射線衍射法一般用于測量材料表面的殘余應力，如果需要測量材料內(nèi)部的應力，或者測量應力梯度，常采用剝層法，測量每層的應力，再利用一定算法和因子換算出實際應力。

1.3 鈦合金零件加工表面殘余應力研究現(xiàn)狀

在熱應力和相變等多因素綜合作用下，在已加工表面層上產(chǎn)生隨深度變化的殘余應力。其在工件表面的分布較淺，一般不超過0.2mm，但在深度方向上有較高的變化率，精確測量有一定困難[3]。鄭耀輝等[4]采用有限元方法，對不同刀具參數(shù)和切削參數(shù)下高速銑削Ti6Al4V鈦合金的表面殘余應力進行了分析;羅秋生等[5]研究了TC17鈦合金材料高速銑削過程中銑削參數(shù)對殘余應力的影響規(guī)律;田榮鑫等[6]研究了TC17鈦合金材料銑削過程中刀具磨損對殘余應力的影響規(guī)律;楊振朝等[7]研究了用硬質合金刀具高速銑削TC4鈦合金時，銑削參數(shù)對表面完整性的影響;劉文韜等[8]通過有限元仿真分析和車削試驗研究了鈦合金Ti6AI4V在不同切削環(huán)境下的切削力、切削溫度及殘余應力，這些研究的成果對本項目的開展具有重要指導意義。

根據(jù)參考文獻，已開展的鈦合金零件加工表面殘余應力研究，主要集中于有限元仿真和切削試驗。切削試驗的研究對象多為標準試塊和標準刀具，而關于鈦合金離心葉輪切削表面殘余應力控制的研究較少。作為航空發(fā)動機中的重要零件，離心葉輪具有長使用壽命和高工作可靠性要求，同時離心葉輪零件結構復雜，葉片和流道曲率大，葉片剛性弱、可達性差，加工和殘余應力檢測難度較大。通過研究改進、控制離心葉輪零件表面殘余應力，提高該類零件抗疲勞性能，具有十分重要的意義。

1.4 本項目研究內(nèi)容

為滿足離心葉輪產(chǎn)品長壽命、高可靠性要求，有效提高產(chǎn)品質量和制造過程穩(wěn)定性，我公司相關研究項目，針對鈦合金離心葉輪表面完整性指標的控制方法，開展了一系列研究：對鈦合金的材料特性進行研究，分析切削加工參數(shù)、加工熱、刀具磨損等對鈦合金離心葉輪表面粗糙度、表面硬化、殘余應力、變質層等表面完整性指標的影響，解決存在的問題，優(yōu)化工藝過程;基于表面完整性要求建立可加工性評價方法，提高加工質量、降低加工成本;實現(xiàn)高效穩(wěn)定的工藝過程，固化工藝參數(shù)，實現(xiàn)表面完整性參數(shù)的量化檢測，形成檢測標準和規(guī)范。

上述多項研究結果表明，鈦合金離心葉輪表面殘余應力的深度分布范圍一般不超過0.2mm。因此，鈦合金離心葉輪最終表面的殘余應力，主要是由距最終表面0.2mm范圍內(nèi)材料余量的去除過程決定的，而超過0.2mm以上的材料余量去除過程，對最終表面殘余應力的影響可以忽略。

本項目以某型TA6V鈦合金離心葉輪零件為研究對象，根據(jù)上述多項研究成果，主要研究內(nèi)容定位于對離心葉輪距最終表面0.2mm范圍內(nèi)材料余量的去除過程進行控制，通過開展離心葉輪加工工藝試驗，并對其產(chǎn)生的表面殘余應力進行檢測，重點研究分析切削速度和進給量對TA6V鈦合金離心葉輪銑削表面殘余應力的影響規(guī)律;借鑒研究成果，形成一套滿足該產(chǎn)品表面殘余應力要求、穩(wěn)定高效的加工方法和參數(shù)，并對后續(xù)同類產(chǎn)品的研制生產(chǎn)提供理論指導。

2 離心葉輪應力分布分析及關鍵區(qū)域控制

采用有限元方法對該離心葉輪的應力分布進行分析，如圖1所示。通過分析可以看出，葉片、內(nèi)流道、大端面外圈、內(nèi)部異形腔、大端面內(nèi)圈、圓弧端齒和大端內(nèi)孔均為存在較大應力的區(qū)域，并且應力數(shù)值依次增大。對于這些區(qū)域，定義為離心葉輪的關鍵區(qū)域，根據(jù)應力大小不同分為A、B、C三個級別。例如：離心葉輪大端內(nèi)孔處離心力最大，定義為A級關鍵區(qū)域。

為了保證離心葉輪的抗疲勞性能和使用壽命，必須對其制造過程進行有效控制。包括固化毛坯的制備過程、零件的熱處理過程、以及距最終表面0.2mm范圍內(nèi)材料的機械加工過程和參數(shù)。并且，在零件進行首件鑒定時，以及對上述固化的工藝過程進行更改時，要對零件A級關鍵區(qū)域的殘余應力進行分析確認。

為實現(xiàn)對離心葉輪加工過程中表面殘余應力的有效控制，掌握切削條件、加工參數(shù)對鈦合金離心葉輪表面殘余應力的影響規(guī)律，對鈦合金離心葉輪各加工工藝過程中距最終表面0.2mm余量精切削過程開展了試驗研究。重點研究了在常規(guī)切削速度和冷卻條件下，采用硬質合金球頭銑刀銑削TA6V鈦合金離心葉輪葉片最終0.2mm余量時，切削速度和進給量對表面殘余應力的影響，以及采用硬質合金車刀片車削TA6V鈦合金離心葉輪內(nèi)孔和端面最終0.2mm余量時，切削速度和進給量對表面殘余應力的影響。對結果進行分析，得到切削速度、進給量與切削表面殘余應力的影響關系。

3 研究過程及分析

3.1 試驗條件和方法

試驗件采用與正式產(chǎn)品相同的毛坯和工藝流程，試驗方案設計需同時兼顧其他相關研究項目需求。銑削試驗設備是瑞士Starragheckert公司的LX051五軸加工中心，車削試驗設備是德國DMG公司的CTX510數(shù)控車床。殘余應力檢測實驗設備使用的是加拿大PROTO公司的IXRD型X射線應力分析系統(tǒng)?；緶y試參數(shù)為：電壓30kV、電流10mA、Cu靶，2θ范圍110°-170°。零應力標樣采用純鈦樣件，標準應力試樣材料為Ti6AL4V。試驗使用的加工和檢測設備如圖2所示。

對銑削加工和車削加工，分別開展試驗分析，采用單變量法，主要研究切削速度和進給量對表面殘余應力的影響，其余加工條件和參數(shù)基于已有研究成果和經(jīng)驗進行優(yōu)化配置。

3.2 離心葉輪葉型銑削試驗和表面殘余應力分析

影響離心葉輪葉片銑削表面殘余應力的因素主要包括零件材料、刀具類型、刀具參數(shù)、刀具材質、切削參數(shù)、刀具磨損和冷卻條件等。前述多項關于鈦合金材料的研究成果及本項目相關的一些實驗結果表明：常規(guī)加工情況下，不同類型的刀具和切削方式得到的殘余應力存在較大差異;切削速度、進給量、刀具后角、刀具磨損等對殘余應力影響最為顯著;刀具材質、刀具前角、螺旋角等刀具參數(shù)和切削深度、冷卻條件等對殘余應力影響較小。

本項目綜合考慮零件加工精度、表面質量、加工效率和刀具壽命等因素，選用硬質合金涂層球頭銑刀進行精加工，銑刀頭直徑Φ3、錐度6°，采用中壓冷卻方式，不考慮（盡量減小）刀具磨損影響，切削策略采用平行于流道的等距流向銑削方法，環(huán)繞葉片表面分層進行銑削，將每層銑削深度固定為0.13mm。重點研究切削速度和進給量對TA6V鈦合金離心葉輪銑削表面殘余應力的影響。

檢測時，每個試樣取三點，分別測量流向和徑向的殘余應力值，計算3點平均值。離心葉輪葉片處表面殘余應力的測量如圖3所示。

（1）切削速度對葉片銑削表面殘余應力的影響分析

銑削表面殘余應力隨切削速度變化的試驗結果如圖4所示，結果表明，銑削表面的殘余應力均為壓應力;殘余應力的絕對值隨切削速度增大而減小;同一點沿流向的殘余應力絕對值均比該點沿徑向的殘余應力絕對值大。分析其主要原因為：在低速、小余量銑削時，冷卻效果良好，切削溫度升高不明顯，熱塑性變形引起的拉應力較小，冷塑性變形引起的壓應力占主導地位，隨著切削速度增大，銑削力減小，冷塑性變形引起的壓應力減小。

實際加工中，因離心葉輪的葉片剛性弱，隨著切削速度降低，切削力增大，會導致讓刀、振動和刀具磨損等不利影響加劇，造成加工表面粗糙度和尺寸精度變差。

（2）進給量對葉片銑削表面殘余應力的影響分析

銑削表面殘余應力隨進給量變化的試驗結果如圖5所示，結果表明，銑削表面的殘余應力均為壓應力;殘余應力的絕對值隨進給量增大而增大;同一點沿流向的殘余應力絕對值均比該點沿徑向的殘余應力絕對值大。分析其主要原因為：隨進給量增大，切削力隨之增大，切削溫度增高。銑削力增大，冷塑性變形引起的壓應力增大，切削溫度增高，熱塑性變形引起的拉應力增大。但在低速、小余量精銑削條件下，冷卻效果良好，切削溫度升高不明顯，熱塑性變形引起的拉應力增幅較小，冷塑性變形引起的壓應力仍占主導地位。因此，二者綜合作用下，殘余應力的絕對值隨進給量增大而增大。

實際加工中，因離心葉輪的葉片厚度薄、剛性弱，隨著進給量增大，切削力增大，會導致讓刀、振動和刀具磨損等不利影響加劇，造成加工表面粗糙度和尺寸精度變差。并且，超出刀具承受能力的進給量會造成刀具破損。

根據(jù)以上試驗和分析結果，采用硬質合金球頭銑刀，在常規(guī)切削速度和冷卻條件下，采用平行于流道的等距流向銑削方法，環(huán)繞葉片表面分層對TA6V鈦合金離心葉輪葉片進行精銑加工時，在滿足加工表面粗糙度和尺寸精度要求下，適當降低切削速度、增大進給量，有利于獲得絕對值較大的壓應力。

3.3 離心葉輪車削試驗和表面殘余應力分析

影響離心葉輪車削表面殘余應力的因素主要包括零件材料、刀具材質、切削參數(shù)、刀具磨損和冷卻條件等。前述多項關于鈦合金材料的研究成果、以及本項目相關的一些實驗結果表明，常規(guī)加工情況下，切削速度、進給量和刀具磨損對殘余應力影響最為顯著，刀具材質、切削深度和冷卻條件對殘余應力影響較小。

本項目綜合考慮零件加工精度、表面質量、加工效率和刀具壽命等因素，不考慮（盡量減?。┑毒吣p影響。重點研究切削速度和進給量對TA6V鈦合金離心葉輪車削表面殘余應力的影響。精車大端內(nèi)孔時，選用牌號為CCMT120404 LF KC5010的硬質合金涂層刀片進行加工，采用普通低壓冷卻方式，切削策略為平行于軸向進刀，將車削深度固定為0.1mm。精車大端面內(nèi)圈時，選用牌號為N123H2-0400-RO H13A的硬質合金涂層刀片進行加工，采用普通低壓冷卻方式，切削策略為平行于大端型面沿徑向由外向內(nèi)進刀，將車削深度固定為0.1mm。

檢測時，每個試樣取三點，分別測量軸向/徑向（進給方向）和周向（切削方向）的殘余應力值，計算3點平均值。離心葉輪大端內(nèi)孔處數(shù)控車削表面殘余應力的測量如圖6所示;離心葉輪大端面內(nèi)圈處數(shù)控車削表面殘余應力的測量如圖7所示。

（1）切削速度對車削表面殘余應力的影響分析

大端內(nèi)孔處車削表面殘余應力隨切削速度變化的試驗結果如圖8所示，大端面內(nèi)圈處車削表面殘余應力隨切削速度變化的試驗結果如圖9所示。結果表明，車削表面的殘余應為均為壓應力;殘余應力的絕對值隨切削速度增大而減小;車削大端內(nèi)孔時，同一點沿周向的殘余應力絕對值均比該點沿軸向的殘余應力絕對值大;車削大端面內(nèi)圈時，同一點沿周向的殘余應力絕對值均比該點沿徑向的殘余應力絕對值大。分析其原因主要為：在低速、小余量車削時，隨著切削速度的增大，切削熱隨之增大，但切削力逐漸減小，二者共同作用導致殘余應力減小，但切削溫度升高不明顯，熱塑性變形引起的拉應力較小，冷塑性變形引起的壓應力仍占主導地位。

（2）進給量對車削表面殘余應力的影響分析

大端內(nèi)孔處車削表面殘余應力隨進給量變化的試驗結果如圖10所示，大端面內(nèi)圈處車削表面殘余應力隨進給量變化的試驗結果如圖11所示。

結果表明，車削表面的殘余應力均為壓應力;殘余應力的絕對值隨進給量增大而增大;車削大端內(nèi)孔時，同一點沿周向的殘余應力絕對值均比該點沿軸向的殘余應力絕對值大;車削大端面內(nèi)圈時，同一點沿周向的殘余應力絕對值均比該點沿徑向的殘余應力絕對值大。分析其主要原因為：隨進給量增大，單位切削力和切削熱隨之增大，切削力增大，冷塑性變形引起的壓應力增大，切削溫度增高，熱塑性變形引起的拉應力增大。但在低速、小余量車削條件下，冷卻效果良好，切削熱增幅遠小于切削力增幅，熱塑性變形引起的拉應力增幅較小，冷塑性變形引起的壓應力仍占主導地位。因此，二者綜合作用下，殘余應力的絕對值隨進給量增大而增大。

試驗中還發(fā)現(xiàn)，刀片的磨損以及由此造成的刀片后角的改變，對加工表面的殘余應力影響較大。因此，實際加工過程中，需特別注意對刀片磨損的控制，采用新的刀片進行精加工，以避免車削表面殘余應力發(fā)生不可預見的變化。

根據(jù)以上試驗和分析結果，采用常規(guī)切削速度和冷卻條件下，使用硬質合金涂層刀片對TA6V鈦合金離心葉輪進行精車加工時，在滿足加工表面粗糙度和尺寸精度等要求、同時盡量避免刀具磨損的情況下，適當降低切削速度、增大進給量，有利于獲得絕對值較大的壓應力。

4 結論

通過對常規(guī)切削速度和冷卻條件下，采用硬質合金球頭銑刀銑削TA6V鈦合金離心葉輪葉片最終0.2mm余量時，切削速度和進給量對表面殘余應力影響關系的研究，以及采用硬質合金車刀片車削TA6V鈦合金離心葉輪內(nèi)孔和端面最終0.2mm余量時，切削速度和進給量對表面殘余應力影響關系的研究，主要得出以下結論：

（1）切削速度和進給量對離心葉輪葉片銑削表面、大端內(nèi)孔處車削表面、大端面內(nèi)圈處車削表面的表面殘余應力有類似的影響規(guī)律;

（2）切削表面的殘余應力的絕對值隨切削速度的增大呈減小趨勢，隨進給量的增大呈增大趨勢;在滿足加工表面粗糙度和尺寸精度等要求下，適當降低切削速度、增大進給量，有利于獲得絕對值較大的殘余壓應力;

（3）采用平行于流道的等距流向銑削方法銑削的葉片表面，同一點沿切削方向（流向）的殘余應力絕對值均比該點沿垂直于流向方向的殘余應力絕對值大;車削加工的表面，同一點沿切削方向的殘余應力絕對值均比該點沿進給方向的殘余應力絕對值大。

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