超聲振動(dòng)精密銑削鈦基復(fù)合材料試驗(yàn)研究

王大鎮(zhèn)，弓清忠

（集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

0 引言

原位合成法是一種新型的鈦基復(fù)合材料制備方法，增強(qiáng)相是由外加元素之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成。該方法制備的鈦基復(fù)合材料具有增強(qiáng)相與鈦合金基體間的界面更干凈、增強(qiáng)相在基體中分布更均勻、制備較簡(jiǎn)單、成本較低等特點(diǎn)[1]，因而使得該類(lèi)鈦基復(fù)合材料具有更優(yōu)良的力學(xué)性能[2]，如具有更高的比強(qiáng)度、比剛度、比模量、低密度、耐磨和高溫抗蠕變能力等，被廣泛應(yīng)用于航天、航空及汽車(chē)領(lǐng)域[1-3]。

雖然鈦基復(fù)合材料是性能優(yōu)良的新一代材料，但要獲得工程應(yīng)用卻很困難[4-5]。主要原因是基體鈦合金本身就屬于難加工材料，加之彌散分布在鈦合金基體中的陶瓷增強(qiáng)相具有高強(qiáng)度和高硬度，使得鈦基復(fù)合材料成為典型的難加工材料[6]。

現(xiàn)階段對(duì)鈦基復(fù)合材料銑削加工技術(shù)比車(chē)削技術(shù)的研究更不成熟[7]，已有文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容沒(méi)有形成系統(tǒng)，共識(shí)性的成果極少，有的甚至互相矛盾，多數(shù)處于爭(zhēng)論過(guò)程中。M. Aramesha等[8]使用PCD刀具在不同切削用量下對(duì)體積百分比為10%～12%的碳化鈦顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（TiCp/ TC4）進(jìn)行銑削刀具磨損和表面粗糙度的試驗(yàn)研究，得出了刀具表面均有溝槽和撕裂現(xiàn)象、切削速度對(duì)表面粗糙度的影響大于進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響的結(jié)論。Shaban Yasser等[9]預(yù)測(cè)了銑削鈦基復(fù)合材料時(shí)的刀具使用壽命。葛英飛等[10]學(xué)者采用PCD刀具研究了鈦基復(fù)合材料的銑削溫度。章宇[7]對(duì)鈦基復(fù)合材料銑削刀具的磨損進(jìn)行了研究。

上述研究者基本上都是在普通銑削、不同參數(shù)工況下對(duì)某類(lèi)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行的參數(shù)影響試驗(yàn)研究。得出的結(jié)論缺乏系統(tǒng)性和機(jī)理揭示，尤其沒(méi)有對(duì)該類(lèi)材料的特種輔助加工方法方面的研究。本文在超聲振動(dòng)輔助銑削工況下，針對(duì)應(yīng)用非常廣泛的用原位合成法制備的鈦基復(fù)合材料，采用PCD刀具進(jìn)行高速精密銑削試驗(yàn)，總結(jié)分析規(guī)律，以便為該類(lèi)復(fù)合材料的實(shí)際生產(chǎn)加工提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為采用原位合成法制備的鈦基復(fù)合材料（TiBw+TiCp）/TC4，其增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為10%，兩類(lèi)增強(qiáng)相的摩爾比為1：1；鈦基復(fù)合材料TiBw/TC4的增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為8%，晶須直徑在0.5～1.0 μm之間。試驗(yàn)材料的物理力學(xué)性能如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的物理及力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)刀具及設(shè)備

試驗(yàn)刀具選用PCD機(jī)夾銑刀片，其工作前角為0°、后角為8°、刃傾角為4°、刀尖圓弧半徑為0.8 mm、負(fù)倒棱為0.15 mm。該P(yáng)CD刀具由基本顆粒尺寸為（30+2）μm的金剛石顆粒聚合而成，該尺寸的PCD刀具具有較高的綜合加工性能。

試驗(yàn)在集美大學(xué)自制的精密銑床上進(jìn)行，如圖1所示，采用水基乳化液冷卻。采用課題組研制的超聲振動(dòng)專(zhuān)用裝置，振幅Am=15 μm，頻率f=20 kHz。

圖1 精密數(shù)控銑床

采用kistler9272型測(cè)力儀器測(cè)量銑削力，采用Origin 2018繪制切削力曲線圖，采用基恩士（VKX1000）3D激光掃描共聚焦顯微鏡檢測(cè)加工件的表面粗糙度值，設(shè)備測(cè)量分辨率為1 nm，如圖2所示。采用蔡司Crossbeam 550型聚焦離子束掃描電子顯微鏡拍攝加工表面的微觀形貌，如圖3所示。

圖2 VK-X1000型3D基恩士激光顯微鏡

圖3 蔡司Crossbeam550型電子顯微鏡

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用基于切削三要素單因素法制定的試驗(yàn)方案（如表2）。

表2 切削試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 銑削力

銑削（TiBw+TiCp）/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)，切削速度對(duì)鈦基復(fù)合材料三向切削力的影響關(guān)系，如圖4所示。

圖4 切削速度對(duì)切削力的影響關(guān)系

從圖4可以看出：普通銑削時(shí)，背向切削力Fp具有區(qū)域性，即先緩慢增加，然后快速減小，其他兩向切削力Ff、Fa與切削速度之間基本上呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，即隨切削速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。其中，背向切削力Fp最大，約是其他兩向切削力的2倍左右。

從圖4中還可發(fā)現(xiàn)：超聲振動(dòng)銑削時(shí)，隨著切削速度的增大，三向切削分力Fp、Ff、Fa均明顯小于普通工況下的三向分力。在本試驗(yàn)超聲條件（Am=15 μm，f=20 kHz）下,背向力Fp在切削速度為120 m/min時(shí)獲得了最大的降低切削力的效果，減少了44.6%。超聲振動(dòng)降低切削力的主要原因是：隨著切削速度的增大，脈沖切削效應(yīng)增大了刀具系統(tǒng)的剛度，使刀具變得更鋒利，有更易切斷增強(qiáng)相的能力，從而降低了切削力。當(dāng)切削速度較低（如60 m/min）時(shí)，刀具有效切削時(shí)間不足，而且此時(shí)切削產(chǎn)生的切削熱[6]較少，使增強(qiáng)相更易于拔出，故切削力減小效果較差。當(dāng)切削速度較高（如180 m/min）時(shí)，刀具有效切削時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使超聲振動(dòng)切削將轉(zhuǎn)化為普通切削，導(dǎo)致切削力減小效應(yīng)基本消失。

銑削（TiBw+TiCp）/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)，三向切削力與切削深度的影響關(guān)系如圖5所示。

圖5 切削深度對(duì)切削力的影響關(guān)系

從圖5可以發(fā)現(xiàn)：切削深度與三向切削力的關(guān)系是明顯的正相關(guān)關(guān)系，即隨著切削深度的增大，三向切削力明顯增大。分析原因?yàn)椋弘S著切削深度的增大，單位時(shí)間內(nèi)需要的切削功增大，導(dǎo)致切削過(guò)程中切削熱增大、變形抗力增大，故切削力出現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)。

銑削（TiBw+TiCp）/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)，進(jìn)給量對(duì)三向切削力的影響關(guān)系如圖6所示。

圖6 進(jìn)給量對(duì)切削力的影響關(guān)系

從圖6中可見(jiàn)：進(jìn)給量與三向切削力之間基本上也是正相關(guān)關(guān)系，即隨著進(jìn)給量的增大，切削力增大，且存在著不明顯的區(qū)域性。在進(jìn)給量較小區(qū)域加工時(shí)，隨著進(jìn)給量的增大，單位時(shí)間內(nèi)材料的切除體積增大，變形系數(shù)減小，導(dǎo)致切削熱排出不暢，材料軟化效果明顯，使得切削力增大緩慢。在進(jìn)給量較大區(qū)域加工時(shí)，切削熱升高趨勢(shì)變緩[6]，材料的軟化效果下降，導(dǎo)致切削力快速增大。

2.2 加工表面微觀形貌與表面質(zhì)量

2.2.1 加工表面微觀形貌

銑削TiBw/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)的已加工表面微觀形貌，如圖7所示。

圖7 已加工表面微觀形貌（放大300倍）

從圖7可以看出，已加工表面微觀形貌包含PCD 刀具的刀痕、晶須劃擦產(chǎn)生的犁溝，TiB 晶須被刀具直接切斷的斷面、晶須被刀具壓入鈦合金基體、晶須向切削方向的微轉(zhuǎn)動(dòng)、被刀具壓碎的晶須碎粒等（見(jiàn)圖8）。微孔洞：1）被刀具整條拔出留下的晶須孔洞，這類(lèi)孔洞直徑基本等于晶須直徑，如圖9所示；2）與加工表面不垂直的晶須，被PCD刀具旋轉(zhuǎn)后拔出留下的孔洞，這類(lèi)孔洞直徑明顯大于單根晶須直徑；3）材料中晶須聚集的區(qū)域，晶須被刀具集中拔出，會(huì)形成尺寸較大的微凹坑。鈦合金基體材料在切削熱的作用下，當(dāng)溫度較高時(shí)，會(huì)發(fā)生熔融堆積或涂敷現(xiàn)象（如圖9），而當(dāng)溫度較低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部基體材料裂紋或形成基體撕裂現(xiàn)象（如圖10）。

圖8 已加工表面微觀形貌（放大10 000倍）

圖9 微孔洞及基體材料熔融堆積形貌

圖10 局部基體鈦合金裂紋或撕裂微觀形貌

2.2.2 表面質(zhì)量

銑削TiBw/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)，超聲振動(dòng)銑削和普通銑削工況下切削速度對(duì)加工表面粗糙度的影響如圖11所示。

從圖11可見(jiàn)，已加工表面粗糙度隨切削速度增大而呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì)，具有區(qū)域性。

對(duì)比圖11中的兩條曲線，發(fā)現(xiàn)在相同的切削條件下，超聲振動(dòng)可以獲得更好的表面質(zhì)量。分析原因?yàn)椋寒?dāng)切削速度在小于最佳切削速度（120 m/min）切削時(shí)，隨著切削速度的增大，系統(tǒng)的剛度不斷增大，切削溫度不斷升高[6]，導(dǎo)致切削力降低、基體材料出現(xiàn)軟化效應(yīng)，從而使更多的TiB晶須增強(qiáng)相被刀具直接切斷，導(dǎo)致已加工表面粗糙度值逐步減小，表面質(zhì)量越來(lái)越好；當(dāng)切削速度在大于最佳切削速度（120 m/min）切削時(shí)，隨著切削速度的增大，更多的切削熱使基體鈦合金產(chǎn)生更大的塑性變形，使TiB晶須增強(qiáng)相的把持力減小，更多的晶須被拔出、壓入或壓碎，同時(shí)基體合金也形成更多的熔融堆積等缺陷，導(dǎo)致粗糙度值增大，表面質(zhì)量變差。

圖11 速度對(duì)加工表面粗糙度的影響

2.3 刀具磨損形態(tài)及機(jī)理

銑削（TiBw+TiCp）/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)PCD刀具前、后刀面的磨損形貌如圖12所示。

圖12 PCD刀具前后刀面磨損形態(tài)

從圖12可見(jiàn)，PCD刀具的前、后刀面都沒(méi)有形成明顯的月牙洼型磨損，前后刀面都出現(xiàn)了平行于切屑流出方向和切削速度方向的犁溝狀磨損。對(duì)比前后刀面，發(fā)現(xiàn)后刀面的磨損更加嚴(yán)重，是切削該類(lèi)復(fù)合材料時(shí)的主要磨損形式。

前后刀面的磨損機(jī)理是磨料磨損，亦稱(chēng)為磨粒磨損。產(chǎn)生磨料磨損的原因是：銑削加工時(shí)，切屑底部和加工表面中被刀具切削刃直接切斷的增強(qiáng)相裸露出表面，隨著切屑底部和加工表面基體材料塑性變形的回彈使PCD刀具前刀面與切屑底部、PCD刀具后刀面與加工表面產(chǎn)生緊密接觸，切斷后裸露的增強(qiáng)相會(huì)像鋼刷一樣對(duì)刀具前后刀面進(jìn)行劃擦“微切削”加工，生成犁溝狀磨料磨損。

3 結(jié)論

1）用PCD刀具精密銑削（TiBw+TiCp）/TC4鈦基復(fù)合材料時(shí)，采用超聲振動(dòng)銑削工況可以提高系統(tǒng)的剛度，明顯減小切削力。當(dāng)切削速度為120 m/min時(shí)，切削力減少了44.6%，達(dá)到了最大降低切削力的效果。

2）在試驗(yàn)超聲條件（Am=15 μm，f=20 kHz）下，切削速度120 m/min是最佳切削速度。此時(shí)，可以獲得最小的切削力、產(chǎn)生最佳的切削溫度，有利于增強(qiáng)相被PCD刀具直接切斷、原位壓入或向切削方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生最小的表面粗糙度值（13 nm）。

3）采用PCD刀具精密銑削鈦基復(fù)合材料時(shí)，無(wú)論超聲振動(dòng)精密銑削還是普通精密銑削，PCD刀具都沒(méi)有出現(xiàn)典型的前刀面月牙洼磨損，磨粒磨損是刀具磨損的主要機(jī)制，同時(shí)發(fā)生在PCD刀具的前刀面和后刀面上。