鈦合金切削過程表層微觀特性的試驗研究

張浩，李金泉

沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院

1 引言

鈦合金具備密度小、比強度高、良好的耐熱性以及物理化學(xué)性能等優(yōu)良品質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在航空航天、發(fā)動機及汽車及醫(yī)療等工業(yè)領(lǐng)域[1]。鈦合金表層微觀組織結(jié)構(gòu)是影響工件性能的關(guān)鍵因素，由于其導(dǎo)熱性差及彈性模量小，切削加工時鈦合金表層受刀具和工件的劇烈摩擦、切削振動和高溫高應(yīng)變率影響，已加工表面微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響表面質(zhì)量，進而影響工件的可靠性和耐用性等性能。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對已加工表面微觀結(jié)構(gòu)進行了大量研究，譚靚等[2]通過銑削TC17鈦合金發(fā)現(xiàn)，表面顯微硬度隨銑削參數(shù)增大發(fā)生變化，表層晶粒出現(xiàn)變形。楊振朝等[3]研究發(fā)現(xiàn)，切向深度對表面粗糙度影響顯著，對微觀組織影響不明顯。謝峰等[4]通過研究Ti-6Al-4V組織形態(tài)，提出了一種定量表征方法，并發(fā)現(xiàn)切削速度會影響α相和β相的占比。張為等[5]研究發(fā)現(xiàn)，車削后的Ti-6Al-4V表層微觀組織發(fā)生顯著變化，表層硬化和變形主要受切削熱和切削溫度的影響。蔣宏婉等[6]研究發(fā)現(xiàn)，切削速度對合金鋼表層微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響，塑性變形程度沿徑向由外向內(nèi)逐漸減弱。薛超義等[7]通過高速銑削鈦合金發(fā)現(xiàn)，已加工表面出現(xiàn)熱軟化現(xiàn)象，晶粒扭轉(zhuǎn)細化，塑性變形層隨切削速度增大而逐漸增大。徐江毅等[8]通過建立JMAK模型和有限元仿真發(fā)現(xiàn)，塑性變形隨切削速度增加而降低，隨進給量增大而增強。Velásquez J.D.等[9]通過顯微觀察不同切削速度下車削鈦合金已加工表面的微觀組織發(fā)現(xiàn)，表層隨切削速度增大不會產(chǎn)生相變，塑性變形區(qū)域會增加。Su Honghua等[10]通過采用不同材料刀具銑削TA15鈦合金來研究刀具壽命和表面完整性，發(fā)現(xiàn)隨著刀具磨損，表層輕微硬化，且隨刀具磨損加劇而增大。Liang Xiaoliang等[11]研究得出，表層晶粒在刀具磨損和熱機載荷作用下經(jīng)歷了破碎、伸長、細化及相變等變化過程。

綜上所述，目前在高速切削方面，切削用量對鈦合金工件表層微觀特性影響的研究還存在不足。本文通過切削TC4鈦合金制備表層金相試樣，研究TC4鈦合金已加工表面表層微觀組織變化，對表層晶粒和變質(zhì)層進行理論分析，并揭示了表層微觀結(jié)構(gòu)與表面質(zhì)量的關(guān)系。

2 試驗方案

試驗試樣為TC4鈦合金棒材(退火態(tài))，直徑為90mm，長度為300mm，其化學(xué)成分如表1所示，使用CA6140A車床進行車削試驗。采用單因素試驗法去除相同的參數(shù)項，沿軸向共分成14段，每段對應(yīng)不同的切削用量，進行干式切削，試驗方案如表2所示。車削加工采用SANDVIK涂層硬質(zhì)合金刀具，主偏角為95°，刃傾角和前角為0°，后角為7°，刀尖圓弧半徑為0.8mm。

表1 TC4材料化學(xué)成分 (wt.%)

表2 TC4鈦合金單因素試驗方案及粗糙度值

車削工件完畢后，用120mm位相光柵干涉粗糙度輪廓儀測量粗糙度，每段測三個部位，取平均粗糙度值(見表2)。之后進行線切割加工，將每段不同參數(shù)的加工表面切成小塊試樣。以切削速度方向為觀察面，將試樣進行鑲嵌、打磨、拋光和腐蝕處理后制成金相試樣，采用金相顯微鏡觀察表層金相結(jié)構(gòu)及表面形貌。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 切削用量對表層微觀組織的影響

圖1為顯微鏡下放大500倍的金相圖，將已加工表層劃分為母材區(qū)、塑性變形區(qū)和熱變形區(qū)。TC4鈦合金為α相和β相合金，內(nèi)部晶粒成長白條狀縱橫交錯編織在一起，晶粒間的黑色區(qū)域為晶界?？梢钥闯觯娇拷鸭庸け砻婢ЯＴ矫芗?，熱變形區(qū)的變形程度比塑性變形區(qū)大，而塑性變形影響區(qū)域更大；塑性變形區(qū)域過度到熱變形區(qū)的晶粒有細化現(xiàn)象，部分區(qū)域內(nèi)晶粒發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

圖1 TC4鈦合金表層微觀組織

3.1.1 切削速度對表層微觀組織的影響

圖2為TC4鈦合金的表層微觀組織隨切削速度(30m/min，98m/min，138m/min)變化的金相形貌?？芍?，只改變單一因素切削速度而其他因素不變時，表層熱變形區(qū)內(nèi)晶粒破碎程度和扭曲程度變化不大，表面變質(zhì)層晶粒變形程度接近。高速車削TC4鈦合金時，表層微觀組織結(jié)構(gòu)對切削速度變化不敏感。

3.1.2 進給量對表層微觀組織的影響

當切削速度為98m/min，背吃刀量為0.2mm時，觀察TC4鈦合金的表層微觀組織隨進給量變化的金相形貌(見圖3)發(fā)現(xiàn)，切削后的表層出現(xiàn)塑性變形，進給量越大，變形越明顯。表層晶粒被細化拉長，甚至發(fā)生扭轉(zhuǎn)，越接近表層，晶粒扭轉(zhuǎn)和細化現(xiàn)象越明顯。當進給量f=0.3mm/r時，表層晶粒扭轉(zhuǎn)最嚴重，影響區(qū)域最大，變質(zhì)層約為75μm。

金屬切削實際是刀具和工件摩擦擠壓過程，表層材料在刀具作用下產(chǎn)生擠壓、滑移及剪切現(xiàn)象，并出現(xiàn)塑性變形。刀具刀尖圓弧半徑越小，切削時接觸面積越小，切屑與前刀面產(chǎn)生的擠壓力越大，塑性變形區(qū)內(nèi)材料受擠壓作用產(chǎn)生的變形越嚴重；在切削過程中，刀具必然會產(chǎn)生磨損，甚至?xí)赖?，增大摩擦阻力，加劇了表層晶粒變形?/p>

鈦合金彈性模量小，軸類工件在切削加工時易產(chǎn)生彎曲，引起切削振動，會加劇刀具的磨損，導(dǎo)致摩擦擠壓更嚴重，對表層材料的影響程度進一步加大。另外，切削過程會產(chǎn)生較大切削力，表層材料內(nèi)部晶粒被拉伸扭轉(zhuǎn)。由切削力計算公式F=kcA=kcapf(kc為單位面積切削力，A為切削面積)可知，進給量增大，切削面積增大，切削力隨之增大。在較大切削力作用下，晶粒朝同一方向扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生位錯和滑移，并且刀尖與工件擠壓，造成表層晶粒發(fā)生細化、破碎。同時，切削過程產(chǎn)生大量的切削熱，尤其是切屑與刀尖接觸的剪切區(qū)溫度較高，而鈦合金的導(dǎo)熱性差，不能及時傳導(dǎo)熱量，導(dǎo)致表層溫度升高，熱變形區(qū)內(nèi)晶粒更容易被軟化，擠壓扭曲更明顯；從微觀角度看，晶界間原子動能受溫度影響逐漸增大，長白條狀晶粒間晶界變小，晶粒細化，容易出現(xiàn)孿晶變形和成長新的晶粒，微觀晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金在高速切削加工中，表面材料會發(fā)生相變[12]。

3.1.3 背吃刀量對表層微觀組織的影響

在切削速度98m/min和進給量0.2mm/r條件下，取背吃刀量ap為0.15mm，0.2mm，0.4mm，觀察TC4鈦合金的表層微觀組織隨背吃刀量變化的金相形貌(見圖4)。可知，表層金相組織無顯著變化，熱變形區(qū)內(nèi)晶粒扭曲程度很小，晶粒破碎現(xiàn)象不明顯。因此隨著背吃刀量的增大，表層晶粒受影響較小。

3.2 進給量對變質(zhì)層厚度影響規(guī)律

由切削用量對表層微觀組織影響規(guī)律可以看出，進給量增大，表層晶粒變形程度增大，變質(zhì)層厚度變化也很明顯。表3和圖5分別為切削速度v=98m/min、背吃刀量ap=0.2mm時變質(zhì)層厚度隨進給量變化的具體數(shù)值和折線變化。

表3 變質(zhì)層厚度隨進給量的變化

由圖5可以看出，隨進給量增大，表面變質(zhì)層厚度增加。當f=0.2～0.3mm/r時，增大程度加劇，這是由切削過程中材料擠壓變形，內(nèi)部位錯密度增加，材料不斷累積造成的。工件表面在切削過程中受摩擦和擠壓作用，刀—屑摩擦產(chǎn)生大量切削熱，表層材料受高溫被軟化，隨著溫度升高，原子能量增加，活動劇烈，熱影響區(qū)深度增加。同時受大剪切力的影響，材料表層晶粒剪切滑移，變形區(qū)內(nèi)晶粒在車刀的不斷擠壓撞擊下，晶粒排列緊密不斷堆積。由于切削主運動方向是速度方向，表層晶粒受拉應(yīng)力，晶粒細化扭轉(zhuǎn)且向切削速度方向拉長。在深層塑性變形區(qū)內(nèi)，晶粒受壓應(yīng)力作用，晶粒組織更加緊密，出現(xiàn)晶粒變形不斷加深、塑性變形區(qū)越來越厚的現(xiàn)象。

圖5 不同進給量時的變質(zhì)層厚度

變質(zhì)層是在多重因素共同作用下產(chǎn)生的，為獲得理想模型曲線，根據(jù)非線性回歸原理，用多項式對散點進行貼近[13]，假設(shè)變量x和y的關(guān)系為n次多項式，有

(1)

y=β0+β1xi1+β2xi2+…+βnxin+εi(i=1，2，3，…，n)

(2)

將方程改寫為矩陣形式

y=xβ+ε

(3)

解得系數(shù)矩陣

(4)

回歸方程顯著性檢驗方式有負相關(guān)系數(shù)R值檢驗和F值檢驗。負相關(guān)系數(shù)R檢驗計算公式為

(5)

假設(shè)變質(zhì)層厚度為D，自變量為進給量f，即式(1)中y=D，x=f，為了保證貼近的精度，取二次、三次多項式分別逼近取最優(yōu)解。根據(jù)表3推算得到切削TC4鈦合金變質(zhì)層厚度隨進給量變化規(guī)律經(jīng)驗公式為

D=50.36-626.63f+2356.2f2
D=8.05+121.3f-1658.41f2+6667.56f3

(6)

由式(6)生成如圖6所示曲線，經(jīng)比較可以看出三次多項式曲線更貼近原有數(shù)據(jù)散點。

采用回歸方程復(fù)相關(guān)系數(shù)檢驗式(5)，計算得出二次多項式R2=0.995，R=0.997，三次多項式R2=0.997，R=0.9985，說明三次多項式能更好地反映進給量與變質(zhì)層厚度之間的關(guān)系，準確性較高，具有參考意義。

圖6 多項式逼近曲線

3.3 表層微觀組織結(jié)構(gòu)對表面粗糙度的影響

表面質(zhì)量嚴重影響工件性能，表面粗糙度是衡量表面質(zhì)量的重要指標。已加工金屬表面存在以熱變形和塑性變形為內(nèi)因的金相組織變化，這些微小變化宏觀表現(xiàn)為表面形貌和粗糙度的變化，會影響工件的加工精度[14]。

圖7為根據(jù)表2中粗糙度值制作的粗糙度折線圖?？芍邢魉俣茸兓瘯r，粗糙度整體升降趨勢不明顯，變化不大；粗糙度隨進給量變化顯著，進給量為0.1mm/r時，粗糙度很小，隨著進給量增大，粗糙度呈增大趨勢且近似線性增長；隨著背吃刀量增加，粗糙度呈減小趨勢。

(a)切削速度

表面粗糙度的變化規(guī)律與表層微觀組織相似，由此推斷兩者之間存在一定的關(guān)系。當單一切削速度和背吃刀量變化時，表層微觀結(jié)構(gòu)變化小，進而粗糙度受影響較?。浑S著進給量增大，表層內(nèi)部晶粒發(fā)生扭曲拉長變形，遭到破壞，且越接近表面扭曲和破壞程度越大，并在被摩擦和擠壓過的表面留下切痕。

圖8為金相顯微鏡測得表面形貌。條狀痕跡是凹凸不平的溝紋，寬度隨進給量的增大而增大。由于表面形貌是表層微觀組織結(jié)構(gòu)上的外在表現(xiàn)，進給量增大導(dǎo)致微觀組織結(jié)構(gòu)破壞加劇，進而使表面質(zhì)量不高。因此在切削過程中，控制好進給量是保證表面粗糙度的關(guān)鍵，從控制表面微觀組織變化入手，減小實際加工中的表面粗糙度，從而提高表面質(zhì)量。

(a)f=0.1mm/r

4 結(jié)語

(1)切削用量三要素中，隨著進給量增大，晶粒變形不斷加深，塑性變形區(qū)越厚。在切削熱和切削力的作用下，表層晶粒發(fā)生扭轉(zhuǎn)細化，且伴隨不同程度的晶粒破碎，變形程度由表面向內(nèi)部逐漸減弱。

(2)變質(zhì)層厚度受進給量變化的影響顯著，進給量越大其變化越大。通過運用多項式逼近得到變質(zhì)層厚度隨進給量變化經(jīng)驗公式，在一定范圍內(nèi)具有參考意義。

(3)隨著進給量增大，表面粗糙度增大，這與進給量對表層微觀組織特性影響規(guī)律一致，表層塑性變形增大導(dǎo)致粗糙度也隨之變大，微觀組織結(jié)構(gòu)直接影響表面質(zhì)量。因此，可以在加工中采取降低表層微觀組織結(jié)構(gòu)變化的措施來提高表面質(zhì)量。