鈦合金切削過程進(jìn)給量對疲勞壽命的影響規(guī)律研究

沈號倫，王晨羽，李金泉

1沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2東北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

Ti-6Al-4V鈦合金具有耐腐蝕、高比強(qiáng)度、高韌性、高比剛度和可焊接等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天等領(lǐng)域重要零部件的首選結(jié)構(gòu)材料。研究表明，鈦合金構(gòu)件大約有90%以上的失效形式與疲勞損壞有關(guān)[1]，由于切削參數(shù)會(huì)影響加工質(zhì)量，進(jìn)而影響材料的疲勞性能，因此，研究切削參數(shù)對鈦合金疲勞壽命的影響規(guī)律具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

綜合現(xiàn)有研究成果，通常已加工表面粗糙度受進(jìn)給量影響最大，一般隨進(jìn)給量的增大而增大，切削深度和切削速度對表面粗糙度影響較小[2-4]，而對切削力、切削溫度和表面殘余應(yīng)力也有較大影響[5-7]。但也有研究認(rèn)為，切削速度對表面粗糙度的影響與其大小有關(guān)，不同切削速度對表面粗糙度的影響程度不同，因此，如果選擇不恰當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)，會(huì)導(dǎo)致材料表面完整性較差，且會(huì)影響疲勞壽命。當(dāng)材料已加工表面形貌發(fā)生改變時(shí)，疲勞裂紋的萌生方式及擴(kuò)展速度均會(huì)發(fā)生改變，材料已加工表面的凹坑處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也是疲勞裂紋萌生的關(guān)鍵[8]。

研究結(jié)果表明，當(dāng)Ti-6Al-4V鈦合金材料已加工表面的凹痕深度值小于理論臨界深度值時(shí)，材料表面粗糙度的大小對疲勞性能不會(huì)產(chǎn)生任何影響。如果其數(shù)值大于臨界深度，疲勞壽命隨表面粗糙度的增大而降低。正常情況下若材料表面粗糙度的數(shù)值變大將導(dǎo)致Ti-6Al-4V鈦合金疲勞斷口處疲勞裂紋的生成方式發(fā)生很大改變，疲勞裂紋源周圍基體材料形貌變差且會(huì)增加疲勞源數(shù)量及裂紋擴(kuò)展速率，因此降低材料的疲勞壽命[9，10]。

在切削參數(shù)中，進(jìn)給量是影響Ti-6Al-4V鈦合金疲勞壽命的關(guān)鍵因素，其次是切削速度和背吃刀量。進(jìn)給量較小的試樣表面光滑，因此具有較高的疲勞壽命，增大進(jìn)給量則疲勞壽命急劇下降，并在疲勞斷口表面產(chǎn)生疲勞源區(qū)[11]。疲勞強(qiáng)度變化的根本原因是應(yīng)力比和應(yīng)力集中系數(shù)發(fā)生改變，但兩者對疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律相反，應(yīng)力比與疲勞強(qiáng)度的大小呈正相關(guān)，應(yīng)力集中系數(shù)與疲勞強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)[12]。在疲勞壽命的評估中，F(xiàn)leury R.M.N.等[13]應(yīng)用已加工表面粗糙度和表面等效應(yīng)力集中系數(shù)建立了疲勞壽命的預(yù)測模型，較準(zhǔn)確地預(yù)測了疲勞壽命。目前，針對切削參數(shù)預(yù)測疲勞壽命的模型研究較少，本文通過鈦合金車削試驗(yàn)及高周疲勞試驗(yàn)，建立考慮切削參數(shù)的疲勞壽命預(yù)測模型，研究進(jìn)給量變化對疲勞壽命的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方案

在MTS Landmark 370.25動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)，試樣材料選用Ti-6Al-4V鈦合金，做真空退火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，其化學(xué)成分如表1所示。采用軸向應(yīng)力控制，正弦波加載，頻率為20Hz，加載應(yīng)力為810MPa。試樣平行端(見圖1a)加工采用單因素車削，只改變進(jìn)給量的大小，研究進(jìn)給量對疲勞特性的影響規(guī)律。相同加工參數(shù)下，重復(fù)疲勞試驗(yàn)三次，取三次試驗(yàn)的平均值來表征試樣的疲勞性能，疲勞試樣如圖1所示，加工方案及不同進(jìn)給量下的疲勞壽命如表2所示。

(a)試驗(yàn)前

(b)疲勞斷裂后

表1 Ti-6Al-4V化學(xué)成分 (%)

表2 切削方案及疲勞壽命

采用海德曼HCL360L型數(shù)控車床進(jìn)行試樣加工，如圖2所示，最大主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min，主電機(jī)功率為5.5kW，刀具為山特維克可樂滿VBMT160404-MF1105涂層硬質(zhì)合金仿形刀具，后角5°，刀尖圓弧半徑0.4mm。疲勞試驗(yàn)后采用Phenom XL型掃描電子顯微鏡能譜一體機(jī)和超景深顯微鏡對疲勞斷口進(jìn)行微觀觀察。

圖2 疲勞試樣加工設(shè)備

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 已加工表面缺陷分析

經(jīng)超景深顯微鏡觀察，圖3為不同進(jìn)給量下Ti-6Al-4V鈦合金疲勞試樣平行端表面形貌。可見，三種加工表面均有凹坑、表面劃痕、溝槽、進(jìn)給刀痕、進(jìn)給劃痕和附著顆粒等典型缺陷。進(jìn)給量越小，加工越精細(xì)，加工表面越光滑，對表面形貌影響較小；但隨著進(jìn)給量的增加，表面形貌越來越粗糙，產(chǎn)生的溝槽和劃痕較大，某些碎屑沉積形成表面附著顆粒，經(jīng)后刀面擠壓形成表面刮痕和凹坑。進(jìn)給刀痕是切削面上的一種固有缺陷，切削表面相鄰波峰波谷之間的間距近似為進(jìn)給量大小。進(jìn)給量越大，相鄰波峰波谷之間的間距也越大，車削痕跡越寬，表面越粗糙。表面劃痕是由于加工表面與刀具后刀面摩擦造成的，其分布較均勻。

(a)f=0.1mm/r

(b)f=0.2mm/r

(c)f=0.3mm/r

3.2 進(jìn)給量對疲勞斷口的影響

加載應(yīng)力為810MPa時(shí)，采用掃描電鏡觀察到不同進(jìn)給量下疲勞斷口形貌及疲勞源區(qū)。進(jìn)給量為0.1mm/r時(shí)，疲勞源較少，多分布于次表面；隨著進(jìn)給量增大，疲勞源逐漸出現(xiàn)在加工表面，且逐漸增多。由圖4a可知，進(jìn)給量為0.1mm/r時(shí)，疲勞源產(chǎn)生在試樣的次表面；當(dāng)進(jìn)給量為0.2mm/r時(shí)，疲勞源產(chǎn)生在試樣的加工表面(見圖4b)；當(dāng)進(jìn)給量為0.3mm/r時(shí)，有多個(gè)疲勞源且均產(chǎn)生在試樣的加工表面(見圖4c)，圖中箭頭所指處為疲勞源位置。當(dāng)疲勞源較少且萌生于次表面時(shí)，可以有效避免外部有害因素的影響，降低外力驅(qū)動(dòng)裂紋增長的能力，提高疲勞壽命；當(dāng)疲勞源在加工表面萌生時(shí)，外部加載力會(huì)催化疲勞裂紋的擴(kuò)展，降低疲勞壽命；當(dāng)萌生多個(gè)疲勞源時(shí)，不僅會(huì)加快裂紋的擴(kuò)展，還會(huì)使材料的承載能力降低，試樣快速斷裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著進(jìn)給量的增大，疲勞壽命依次降低(見表2)。

(a)f=0.1mm/r

(b)f=0.2mm/r

(c)f=0.3mm/r

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因如下：隨著進(jìn)給量的增大，切削表面形貌越來越粗糙，加工質(zhì)量變差，導(dǎo)致疲勞壽命降低。切削過程中，當(dāng)車刀沿主軸方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件表面會(huì)形成溝紋，溝紋間距和進(jìn)給量的大小幾乎相同[14]；隨著進(jìn)給量逐漸增大，將會(huì)使溝紋間距逐漸變大。同時(shí)，已加工表面殘留面積高度逐漸增加，因而已加工表面形貌變差且變化程度十分明顯，造成表面粗糙度增大，疲勞源增加，使疲勞性能下降，疲勞循環(huán)壽命逐漸降低。因此，為了提高疲勞壽命，在相同條件下應(yīng)盡可能采取較小的進(jìn)給量進(jìn)行加工。

3.3 疲勞壽命預(yù)測模型

在循環(huán)載荷的作用下，缺口處會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致零件過早失效，降低了疲勞壽命。局部應(yīng)力—應(yīng)變疲勞壽命估算法中提出疲勞裂紋的萌生由缺陷部位的局部應(yīng)力應(yīng)變決定，一般用缺口系數(shù)Kf反映缺口對疲勞強(qiáng)度的影響以及評價(jià)材料疲勞性能的好壞，其表達(dá)式為

(1)

式中，Se和SN分別為標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣與缺口件的疲勞強(qiáng)度。

缺口系數(shù)越大，疲勞壽命越低。國內(nèi)外學(xué)者對缺口系數(shù)進(jìn)行了大量研究，并提出了相關(guān)預(yù)測模型，其中常用的Peterson模型[15]能較準(zhǔn)確地預(yù)測疲勞強(qiáng)度，其表達(dá)式為

(2)

式中，Kt為缺口的應(yīng)力集中系數(shù)，Kt=σmax/σn，σmax與σn分別為構(gòu)件在外載作用下的真實(shí)應(yīng)力和名義應(yīng)力，均可通過相關(guān)試驗(yàn)獲得；a為與拉伸應(yīng)力值相關(guān)的材料常數(shù)，a=(270/σb)1.8，σb為材料的抗拉強(qiáng)度；R為缺口底部曲率半徑；q為缺口敏感性系數(shù)。

q的表達(dá)式為

(3)

在車削過程中，工件旋轉(zhuǎn)和刀具進(jìn)給的復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)在加工表面上刀刃產(chǎn)生近似螺旋線的溝痕，理想狀態(tài)下，相鄰波峰和波谷之間的間距約等于進(jìn)給量。

由于刀尖振動(dòng)的影響，使刀尖位置產(chǎn)生偏差，從而引起切削深度和進(jìn)給量的變化，因此實(shí)際加工的進(jìn)給量與給定的進(jìn)給量存在偏差，在動(dòng)態(tài)切削力的綜合作用下，在工件表面產(chǎn)生振紋，具體形貌如圖3所示。結(jié)合Peterson模型，將切削過程中刀具在切削表面留下的切削痕跡看做試樣的缺口(見圖5)，簡化得到刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(4)

式中，vf為進(jìn)給速度；n為主軸轉(zhuǎn)速；f為進(jìn)給量；x(t)為刀尖在進(jìn)給方向隨時(shí)間的變化位移；y(t)為刀尖在徑向隨時(shí)間的變化位移；Z(t)為不同進(jìn)給量下y方向刀具振動(dòng)位移方程。

Z(t)可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到[16]，其表達(dá)式為

(5)

式中，A為振動(dòng)加速度的振幅；ω為角速度；φ為位相角。三者均可以根據(jù)振動(dòng)加速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

(a)車刀切削軌跡模型 (b)軌跡曲線坐標(biāo)

設(shè)M為刀尖軌跡上的一點(diǎn)，根據(jù)微分幾何中的弧線曲率半徑的求解公式可得表面形貌缺口的輪廓谷底曲率半徑為

(6)

將式(4)和式(5)代入式(6)得

(7)

(8)

由式(8)可以看出，在其他條件不變的情況下，隨進(jìn)給量的增大，R值增大。由式(2)和式(3)可知，q值和Kf值均相應(yīng)增大，而有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf作為可以綜合體現(xiàn)表面幾何參數(shù)造成的應(yīng)力集中對疲勞性能影響的函數(shù)。Kf與疲勞壽命之間呈反比，有效應(yīng)力集中系數(shù)越大，疲勞壽命越低[17]。因此，疲勞壽命隨著進(jìn)給量的增大而降低，本試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該觀點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

(1)隨著進(jìn)給量的增加，試樣表面形貌逐漸粗糙，導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生方式發(fā)生變化，疲勞裂紋源由一個(gè)變?yōu)槎鄠€(gè)，從次表面向表面轉(zhuǎn)移，降低了疲勞壽命。

(2)將切削參數(shù)引入到疲勞壽命的評估方法中，定量描述了進(jìn)給量和疲勞壽命之間的關(guān)系：隨著進(jìn)給量的增大，有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf值逐漸增大，疲勞壽命降低。