TC11鈦合金整體葉輪銑削加工表面完整性研究

吳澤剛　侯永峰　苗清　李靖　張定華　羅明

摘要：考慮葉輪真實加工參數(shù)，探究了切削速度、每齒進給量、行距、切深、冷卻液對整體葉輪葉片的表面完整性（包括表面粗糙度、表面形貌、表面顯微硬度、金相組織、殘余應力）的影響。結(jié)果表明：行距和每齒進給量對葉片表面粗糙度影響最大，行距和每齒進給量越小，葉片表面粗糙度越小，當行距從0.3 mm減小至0.16 mm時，平均粗糙度Ra從0.64 μm減小至0.48 μm，當每齒進給量從0.1 mm減小至0.06 mm時，平均粗糙度從0.62 μm 減小至0.4 μm；行距和每齒進給量對表面形貌影響最為明顯，隨著行距和每齒進給量的增大，葉片表面的殘留高度增大；切削參數(shù)選取相對合理，葉片表面沒有產(chǎn)生劃痕、劃傷和毛刺等缺陷；在合理的參數(shù)條件下，葉片表面的力熱水平較低，使得葉片表面的顯微硬度變化不明顯，各切削參數(shù)下表面平均硬度在335HV左右浮動，同時也沒有產(chǎn)生區(qū)別于基體的變質(zhì)層；葉片表層殘余應力均表現(xiàn)為壓應力，行距、切深對殘余應力的影響較??；隨切削速度和每齒進給的增大，表層壓應力先增大后減小，沿深度方向表現(xiàn)出先微弱減小再增大到峰值最后到達基體的趨勢，平行和垂直進給方向上最大殘余應力分別可達275 MPa和400 MPa；水基冷卻液在加工表層達到遠大于油基冷卻液的殘余壓應力，但殘余應力在深度方向下降明顯。

關(guān)鍵詞：整體葉輪；工藝參數(shù)；表面完整性；銑削

中圖分類號：TG506.6

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.010

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Surface Integrity in milling of TC11 Titanium Impellers

WU Zegang^1，2HOU Yongfeng³MIAO Qing^1，4LI Jing^1，4ZHANG Dinghua^1，4LUO Ming^1，4

1.Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero Engine，Ministry of Industry and

Information Technology（Northwestern Polytechnical University），Xian，710072

2.AECC Harbin Dongan Engine Co.，Ltd.，Harbin，150066

3.Beijing Xinhang Electromechanical Equipment Co.，Ltd.，Beijing，100074

4.Engineering Research Center of Advanced Manufacturing Technology for Aero Engine，Ministry

of Education（Northwestern Polytechnical University），Xian，710072

Abstract：Based on the real machining parameters，this paper investigated the effects of milling speed，feed per tooth，stepover，milling depth and coolant on the surface integrity of the integral impellers，which includes the aspects such as surface roughness，surface morphology，surface microhardness，microstructure and residual stress. The results show that stepover and feed per tooth have the most significant influence on the surface roughness，the smaller stepover and feed per tooth value result in smaller blade surface roughness. Specifically，when the stepover is decreased from 0.3 mm to 0.16 mm，the average roughness value reduces from 0.64 μm to 0.48 μm； as the feed per tooth is decreased from 0.1 mm to 0.06 mm，the average roughness value decreases from 0.62 μm to 0.4 μm. Both of the stepover and feed per tooth significantly impacts the surface morphology. As the stepover and feed per tooth increase，the row spacing residual height and feed residual height also increase. Since the selected machining parameters are relatively reasonable，blade surface is observed to be smooth without the production of defects such as scratches，scrapes，and burrs，etc. Moreover，under the reasonable machining parameters，the generated force and heat are insufficient to alter the surface microhardness，which fluctuates around 335HV for each machining parameters，leading to no distinct difference in the surface hardening layer compared to the substrate. The residual stresses observed are predominantly compressive stresses，with limited correlation to the stepover and milling depth. When considering the milling speed and feed per tooth，the surface compressive stress initially increases and then decreases. Along the depth direction，compressive stress initially slightly decreases，reaches a peak，and finally stabilizes within the matrix. The maximum residual stress reaches to 275 MPa and 400 MPa in the parallel and perpendicular feed directions，respectively. Surface residual stress under the water-based coolant is much higher than that under the oil-based coolant，but decreases significantly in the depth direction.

Key words：integral impeller； machining parameter； surface integrity； milling

收稿日期：2023-05-09

基金項目：國家自然科學基金（92160301）

0 引言

鈦合金TC11是一種綜合性能良好的α+β兩相鈦合金，密度小、熔點高，具有良好的高溫強度、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變性能，最高使用溫度500 ℃，在航空發(fā)動機的壓氣機盤、葉片、葉輪、鼓筒、軸類等工件的制造中應用廣泛^［1］。鈦合金整體葉輪是直升機發(fā)動機的關(guān)鍵構(gòu)件之一，主要采用多軸數(shù)控銑削加工工藝制造，其表面完整性直接影響著航空發(fā)動機的主要功能、服役性能、壽命與可靠性^［2］。

TC11鈦合金的優(yōu)異性能給切削加工帶來很大的挑戰(zhàn)，是典型的難加工材料^［3］。TC11鈦合金密度小、強度高的特點使其在切削過程中材料塑性變形大，切削力和切削溫度水平高。切削中切屑在刀具前刀面上滑動摩擦的路程長，易加劇刀具磨損。同時，由于鈦元素在高溫下的化學親和力強，易使切屑與刀具材料黏合并產(chǎn)生黏刀現(xiàn)象，加劇刀具的黏結(jié)磨損。此外，鈦元素的化學活性大，在高溫切削環(huán)境下，易吸入氧、氮、碳等元素，使工件表面硬度和脆性增大，產(chǎn)生嚴重的加工硬化現(xiàn)象。上述問題的存在，往往會在工件表面和亞表面產(chǎn)生加工缺陷或損傷，這些加工缺陷極易成為葉輪的疲勞裂紋源，使其在服役階段發(fā)生疲勞失效，帶來極大的安全風險，因此，研究TC11鈦合金葉輪銑削加工表面完整性對提高航空發(fā)動機的使用性能和服役壽命具有重要意義。

鈦合金是航空發(fā)動機中最為廣泛應用的一類材料，學術(shù)界與工業(yè)界已對常用鈦合金材料的切削加工表面完整性進行了深入研究，分析了加工表面粗糙度、形貌、硬度、殘余應力、表層組織等對工件疲勞壽命的影響。表面粗糙度和表面形貌是表征工件表面的幾何特征，直接影響工件表面的磨損、腐蝕和工件的疲勞壽命。HASSANPOUR等^［4］在高速銑削加工鈦合金TC4時發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的增大，材料表面粗糙度減小，表面質(zhì)量提高。DAYMI等^［5］在采用變參數(shù)銑削加工鈦合金TC4時發(fā)現(xiàn)，切削深度對表面粗糙度影響最顯著，表面粗糙度與進給速率和切削深度成正比，與切削速度成反比。WIKA等^［6］探究了銑削加工中冷卻方式對TC4表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)相比于高壓冷卻、超臨界CO₂冷卻和超臨界CO₂微量潤滑，水冷所產(chǎn)生的工件表面粗糙度更大。YAO等^［7］、LIU等^［8］探究了工藝參數(shù)對鈦合金TB6表面幾何特征的顯著度，試驗結(jié)果表明，切削速度和每齒進給量對表面粗糙度的影響顯著大于切深和切寬對表面粗糙度的影響。針對TC11鈦合金的銑削加工，姚倡鋒等^［9］通過高速銑削實驗發(fā)現(xiàn)，在不同的切削速度和每齒進給量的組合下，加工表面形貌也會產(chǎn)生明顯的變化。王鑫^［10］在銑削TC11時發(fā)現(xiàn)，銑削加工表面粗糙度隨著切削速度的增大而減小，切削參數(shù)中每齒進給量對表面粗糙度的影響最大。

顯微硬度是加工過程中加工硬化和熱軟化共同作用的結(jié)果，均勻的加工硬化在一定程度上有利于提高工件的硬度和耐磨性。OOSTHUIZEN等^［11］通過TC4銑削實驗發(fā)現(xiàn)，表層顯微硬度和硬化層深度隨著每齒進給量的增大而增大。李軍等^［12］采用不同的工藝參數(shù)組合加工TC4發(fā)現(xiàn)，材料顯微硬度在深度方向上出現(xiàn)硬化-軟化-再次硬化-基體硬度4個變化階段。譚靚等^［13］在銑削加工鈦合金TC17時發(fā)現(xiàn)，顯微硬度出現(xiàn)軟化-硬化-基體3個階段的變化，在材料表面未出現(xiàn)硬化這一階段，這可能是由于銑削溫度高，表層材料處的熱軟化效應占據(jù)了主導地位。賀英倫等^［14］探究了不同的冷卻條件對TC4鈦合金加工表面狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)乳化液冷卻條件可以明顯降低加工表面顯微硬度值。周子同等^［15］探究了銑削參數(shù)對鈦合金TB6表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)加工硬化程度隨著切削速度的增大而降低，受每齒進給量和切削深度的影響并不明顯。李鋒等^［16］在銑削加工TC11時發(fā)現(xiàn)，不同走刀方式下的顯微硬度均呈現(xiàn)先軟化再硬化，最后趨近于基體硬度的趨勢。

加工中產(chǎn)生的殘余應力是機械應力和熱應力共同作用的結(jié)果，同時內(nèi)部金屬組織的變化也會導致殘余應力的產(chǎn)生。一般而言，工件表面的殘余壓應力有利于提高工件的疲勞強度，殘余拉應力則會降低工件疲勞強度。張宇等^［17］通過銑削鈦合金TC4發(fā)現(xiàn)，工件表面為殘余壓應力，在深度方向上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?，表面殘余壓應力和殘余應力層深度與每齒進給量、切削深度和切削寬度成正比，與銑削速度成反比。SARTORI等^［18］在液氮冷卻條件下加工鈦合金TC4時發(fā)現(xiàn)，表面殘余壓應力增大，殘余應力層深度明顯增加。羅秋生等^［19］通過銑削加工鈦合金TC17發(fā)現(xiàn)，工件表面的殘余壓應力隨著切削深度的增加而增大，隨著進給量和切削速度的增大而減小。史愷寧等^［20］研究了工藝參數(shù)對鈦合金TB6表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)表面殘余壓應力隨每齒進給量和切削寬度的增大而增大。對于TC11的側(cè)銑加工，張中石^［21］發(fā)現(xiàn)，不同冷卻條件下試件表面都產(chǎn)生殘余壓應力，且比在干式環(huán)境下產(chǎn)生的切削殘余壓應力大。

鈦合金表面變質(zhì)層的微觀組織變化主要會出現(xiàn)晶粒變形、晶粒細化以及物相的重新分布等微觀組織演變現(xiàn)象，進而影響工件表面的物理、力學性能，最終影響工件的使用性能。LI 等^［22］測試了不同工藝條件下TC4的銑削表層微觀組織，發(fā)現(xiàn)材料塑性變形程度隨每齒進給量和切削深度的增加而增加，而受切削速度的影響并不明顯。PATIL等^［23］車削加工TC4的實驗結(jié)果表明，材料表層晶粒變形隨著切削速度的增大而增大。當采用較小工藝參數(shù)銑削加工TC4時，楊振朝等^［24］發(fā)現(xiàn)工件表面微觀組織并沒有明顯變化，這可能是由于較小參數(shù)在工件表面產(chǎn)生的力熱水平較低，對微觀組織的影響較小。張中石^［21］在銑削鈦合金TC11時發(fā)現(xiàn)，切削加工后表層β相有增強，且晶粒發(fā)生了明顯細化。

綜上，現(xiàn)有研究主要基于試件開展，而整體葉輪等真實工件加工過程中的切削狀態(tài)一直發(fā)生變化，零件表面不同部位表面完整性的形成與變化有待進一步探討。本文以TC11鈦合金材料整體葉輪為研究對象，對真實加工工況下的葉輪葉片表面完整性開展研究，分析切削參數(shù)的影響，從而為提高整體葉輪的表面質(zhì)量和服役可靠性提供支撐。

1 試驗設計

1.1 工件及刀具

航空發(fā)動機整體葉輪所采用的TC11鈦合金材料具有密度小、強度高、熱穩(wěn)定性強等優(yōu)異性能，其化學成分如表1所示，常溫下的物理性能如表2所示。

研究中所采用的航空發(fā)動機整體葉輪基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。加工過程中，葉輪葉片及輪轂表面的狀態(tài)主要由精加工確定，因此以葉輪的精加工工序為研究對象，通過改變加工中的工藝參數(shù)來研究其對葉片表面完整性的影響。當葉片精加工時，采用球頭錐刀以提高刀具的剛性并減少刀具干涉問題。試驗中選用的硬質(zhì)合金材料刀具參數(shù)如表3所示。

1.2 整體葉輪銑削加工試驗

葉輪葉片的精加工采用螺旋軌跡形式對稱銑削，得到圖2所示的葉片精加工刀路軌跡。試驗設計安排如表4所示，以編號為1的試驗組為基礎，改變切削速度、每齒進給量、行距、切深和冷卻方式，使用精雕五軸數(shù)控機床進行加工。每組參數(shù)下加工2個葉片，對比研究不同工藝下葉片表面完整性的變化。

1.3 測試方法

由于葉片是曲面形狀，在實際加工時，工件剛度和刀具姿態(tài)等可變工況參數(shù)隨著葉片曲率的變化而發(fā)生改變，因此在銑削加工參數(shù)相同時，葉片不同區(qū)域的表面完整性會隨著可變工況參數(shù)的變化而變化。為對真實加工工況下葉輪葉片表面完整性進行系統(tǒng)研究，本文將葉片按曲率大小進行分區(qū)域分析。

在葉輪上的葉片采用表4參數(shù)加工完成之后，將精加工后的葉片從葉輪上裁剪下來，按圖3所示區(qū)域?qū)θ~片進行分割，并對分割后的葉片進行表面完整性檢測，在各區(qū)域中的1點處檢測表面粗糙度、表面形貌和顯微硬度，在2點處檢測殘余應力，在3點處檢測金相組織。

對于裁剪分割后的葉片試片，使用Alicona G4儀器檢測葉片的表面粗糙度和表面形貌，采用×20倍鏡頭掃描0.5 mm×0.5 mm區(qū)域，對掃描結(jié)果進行處理，得到葉片的表面粗糙度值Ra及表面形貌。在顯微硬度測試方面，使用FM-800型顯微硬度測試系統(tǒng)檢測葉片表面顯微硬度，使用5 N的載荷，經(jīng)過一定時間后卸除載荷，通過計算壓痕面積可得葉片表面顯微硬度值。在殘余應力測試方面，使用PROTO殘余應力測試分析系統(tǒng)檢測葉片表層殘余應力，利用X射線衍射法原理，通過浸泡法對葉片表面剝層，直至材料基體，完成對葉片表面的殘余應力檢測。在金相組織測試方面，對分割后的葉片經(jīng)過鑲樣、打磨、拋光處理，使用腐蝕液腐蝕材料10 s，利用DMI5000M金相顯微鏡得到材料的金相組織圖。

2 工藝參數(shù)對葉片表面完整性的影響分析

2.1 加工表面粗糙度

機械加工中的加工殘留高度、振動、塑性變形等因素都會影響葉片表面粗糙度。葉片表面粗糙度的檢測結(jié)果如圖4所示，圖4中的區(qū)域A～E如圖3所示。

如圖4a所示，葉片表面粗糙度隨著加工行距的減小而減小，當行距從0.3 mm減小至0.16 mm時，葉片表面粗糙度Ra平均值從0.64 μm減小至0.48 μm。這是由于行距越小，葉片表面的殘余高度越小，加工后的實際表面粗糙度也就越小。由檢測方案與葉片幾何形狀可知，區(qū)域A和B檢測點靠近葉片前緣，區(qū)域C和D檢測點處于葉片中部，區(qū)域E檢測點靠近葉片后緣，兩個葉片的實際粗糙度與理論殘余高度整體呈現(xiàn)沿葉片前緣向后緣方向減小的趨勢，具體從前緣平均粗糙度0.65 μm減小到后緣0.48 μm。這是由于靠近前緣處的葉片寬度較大，刀路密度較小，因此相較于葉片中部和靠近葉片后緣部分，該區(qū)域?qū)嶋H加工行距大，殘余高度也大。葉片寬度較窄區(qū)域處的刀路軌跡密集，相鄰刀路的重疊加工區(qū)域變大，因此靠近后緣處的葉片表面粗糙度整體小于靠近前緣處的葉片表面粗糙度。

如圖4b所示，對比相同區(qū)域不同切削速度加工所產(chǎn)生的表面粗糙度可以發(fā)現(xiàn)，相同區(qū)域不同的切削速度加工完后的表面粗糙度比較穩(wěn)定，基本保持一致。從區(qū)域A、B到區(qū)域C、D，表面粗糙度隨著切削速度的增大，整體呈增大趨勢。這是由于當切削速度增大時，刀具與工件在切削區(qū)域相互作用加劇，摩擦熱增大，切削力增大，導致刀具磨損加劇，從而增大了工件表面粗糙度。

如圖4c所示，在區(qū)域A、B、C、D，每齒進給量增大在一定程度上會造成表面粗糙度值的增大，當每齒進給量從0.06 mm增大至0.1 mm時，葉片平均粗糙度從0.4 μm增大至0.62 μm。這主要是因為每齒進給量增大會導致刀具每齒切削時的未變形切屑厚度增大，切削載荷的增大引起了切削力變大，可能會導致切削振動的增大，從而增大了加工表面的波紋度。同時，從區(qū)域A到E，表面粗糙度值從0.79 μm減小至0.41 μm，（a）行距對表面粗糙度的影響（b）切削速度對表面粗糙度的影響（c）每齒進給量對表面粗糙度的影響（d）切深對表面粗糙度的影響這是因為刀路的逐漸密集，殘留高度不斷減小，所以整體上粗糙度值也呈減小趨勢。

如圖4d所示，改變切削深度對加工各區(qū)域表面粗糙度的影響不明顯，不同切深下，表面粗糙度平均值在0.62 μm左右浮動。對于較密的行距，一定程度范圍內(nèi)切削深度的增加不會改變理論上殘留高度的大小，主要會影響切削力的大小。

2.2 加工表面微觀形貌

表面形貌體現(xiàn)了表面所具有的微觀幾何形狀，是工件在加工過程中由于隨機的不確定因素綜合作用而殘留在工件表面上的微觀幾何形態(tài)。

如圖5所示，球頭銑刀加工表面形貌主要由進給方向和行距方向的未切除材料構(gòu)成。刀具旋轉(zhuǎn)過程中沿進給方向移動并切除材料，刀具刀刃的擺線型運動軌跡會形成進給方向的材料殘留。球頭銑刀多次走刀時，相鄰刀路掃掠軌跡相交位置的材料未被切除，形成行距方向殘留，其形成位置在行距方向上等間隔出現(xiàn)。進給方向殘留和行距方向殘留最終組成了加工表面微觀形貌。

在葉片加工軌跡的規(guī)劃中，主要采用流線型軌跡以獲得連續(xù)的加工刀路，因此行距會跟著葉片不同區(qū)域的寬度有所變化。如圖6所示，由于區(qū)域A與B處于葉片前緣附近，該處葉片寬度相比區(qū)域C與D所處的葉片中間區(qū)域較寬，因此刀路比較稀疏，實際行距明顯大于后兩者的實際行距。區(qū)域E接近葉片后緣，此處葉片寬度較窄，刀路密度大，加工表面相較于前4個檢測區(qū)域光滑。

分析不同切削參數(shù)的影響時，主要選取葉片區(qū)域A作為對比研究區(qū)域。行距主要影響行距方向的殘留高度。如圖7a所示，加工中設置的行距越大，加工后表面微觀形貌的行距殘留高度也越大。每齒進給量改變的是進給方面殘留高度出現(xiàn)的間距大小和殘留高度的數(shù)值大小。切削速度對表面形貌的影響如圖7b所示。隨著切削速度的增大，葉片表面進給方向和行距方向殘留高度出現(xiàn)的間距相近，但殘留高度逐漸增大。切削速度對殘留高度的影響主要與刀具和切削區(qū)域的相互作用有關(guān)，切削速度提高增加了切削力和切削熱，從而使得表面摩擦加劇，殘留高度增大。

如圖7c所示，當每齒進給量為0.06 mm時，刀具沿進給方向的切削更細膩，進給殘留高度最小。隨著每齒進給量的增大，刀具沿進給方向的平動加快，葉片的切削過程更為粗糙，因此工件表面的進給殘留高度更大。切削深度的影響如圖7d所示，當改變切削深度時，對葉片表面形貌的影響不明顯。

通過觀察各切削參數(shù)影響的表面形貌可以發(fā)現(xiàn)，由于各參數(shù)是在真實工況下選取及改變，所有參數(shù)相對合理，因此對比其他文獻報道的不合理參數(shù)切削時^［25］，葉片各區(qū)域表面光滑，沒有出現(xiàn)劃痕、劃傷、毛刺、凹坑等缺陷。

2.3 加工表面顯微硬度

在機械加工中，各種因素都會影響工件最終的表面顯微硬度。影響表面顯微硬度的主要因素是加工硬化和熱軟化作用。在切削過程中，由于塑性變形所引起的加工硬化，以及鈦吸收大氣中的氧等元素引起的脆化作用，最終導致工件表面顯微硬度增大，而在切削加工過程中，由于摩擦而產(chǎn)生的切削熱使工件表面微觀組織發(fā)生動態(tài)回復、再結(jié)晶等軟化行為，導致工件表面的顯微硬度減小，因而，工件的表面顯微硬度取決于加工過程中的加工硬化和熱軟化的共同作用。試驗中表面顯微硬度的檢測結(jié)果如圖8所示。從圖8中的數(shù)據(jù)可以看出，在切削參數(shù)不同組合的情況下，加工表面不同區(qū)域的顯微硬度變化并不明顯，均在335HV左右浮動，數(shù)值差異不大，這主要是由于TC11鈦合金材料強度及熔點溫度較高，較小切削參數(shù)產(chǎn)生的力熱耦合作用對材料塑性變形及軟化行為的影響不大。

2.4 表層殘余應力

一般情況下，殘余應力可分為三種類型：宏觀殘余應力（多個晶粒范圍內(nèi)的平均值）、晶格間的殘余應力、作用于晶粒間原子范圍內(nèi)的殘余應力。影響殘余應力的因素主要是機械應力引起的塑性變形、熱應力引起的塑性變形和相變引起的體積變化。加工過程中，刀具對工件材料的剪切作用及刀具與工件之間的摩擦與擠壓作用會在已加工表面產(chǎn)生殘余壓應力。塑性變形、刀具前刀面-切屑及刀具后刀面-工件之間的摩擦過程產(chǎn)生大量的切削熱，使表面材料發(fā)生熱膨脹，在冷卻至室溫過程中，表層的冷卻速度大于亞表層的速度，受到亞表層的幾何約束，表層產(chǎn)生拉應力，亞表層產(chǎn)生壓應力。若材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變，殘余應力還受到相變前后兩相晶格參數(shù)等的影響，變化更加復雜。因此，工件最終的表層殘余應力主要取決于加工中切削力和切削溫度的共同作用。

相同切削參數(shù)下，葉片不同區(qū)域產(chǎn)生的切削力和切削溫度差別不大，殘余應力差別也不大，因此主要選取葉片區(qū)域A進行殘余應力檢測分析。行距對殘余應力的影響如圖9所示，行距主要影響切削寬度，雖然切削寬度增大會導致切削力增大，但此變化對表層殘余應力的影響相對較小，表層情況基本保持不變。沿深度方向，殘余壓應力表現(xiàn)出先微弱減小至再增大到峰值最后到達基體的趨勢，在25 μm至45 μm處達到最大，最大值處殘余壓應力分布情況與表層呈現(xiàn)相似規(guī)律，即受行距大小影響較小。

如圖10所示，切削速度增大時，工件表層殘余壓應力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，80 m/min切削速度下的表層殘余壓應力值較大，平行進給方向上最大值達到275 MPa，垂直進給方向上達到400 MPa，60 m/min切削速度和100 m/min切削速度下的表層殘余壓應力值較為接近。三種切削速度下材料中均產(chǎn)生殘余壓應力，表明切削力的作用占據(jù)主導，但切削速度的持續(xù)增大會提高切削熱的影響，切削熱引入的殘余拉應力抵消掉一部分切削力產(chǎn)生的殘余壓應力，導致工件表層殘余壓應力在60～100 m/min切削速度范圍內(nèi)先增大后減小。沿深度方向，平行進給方向殘余壓應力先微弱減小再增大到峰值最后到達基體，最大值出現(xiàn)在距離加工表面25 μm至45 μm處，與表層殘余壓應力分布呈現(xiàn)相似規(guī)律。垂直進給方向此增大趨勢較弱，因此表層殘余壓應力最大。

如圖11所示，隨著每齒進給量的增大，表層殘余壓應力值先增大后減小。每齒進給量的增大使得切屑厚度增加，切削力增大，因此切削力造成的殘余壓應力作用越明顯，但每齒進給量增大使得單位時間所產(chǎn)生的熱量也變多，從而使得切削熱帶來的殘余拉應力影響提高，二者綜合影響，使得0.08 mm每齒進給量下殘余壓應力達到最大，平行和垂直進給方向上最大殘余應力分別達到275 MPa和400 MPa，隨后一部分殘余壓應力與切削熱的影響相抵消，造成0.1 mm每齒進給量下殘余壓應力減小。平行進給方向上的殘余壓應力沿深度方向在25 μm至45 μm處達到峰值。

同行距的影響相似，切深對加工表層殘余應力的影響也相對較小，雖然切深增加，材料去除量增大，但切深對切削力和切削熱的影響較小，因此殘余應力的變化也相對較小。如圖12所示，在三種切削深度下，工件表層產(chǎn)生的都是殘余壓應力，隨著切深的變化，表層殘余應力值的變化不明顯，深度上應力峰值出現(xiàn)在15 μm至30 μm處，整體大小極為接近。

切削液的冷卻和潤滑作用均有利于提高加工表面質(zhì)量，選用合理的切削液可以減少切屑、刀具與工件接觸面間的摩擦，降低切削區(qū)溫度，使切削區(qū)金屬表面的塑性變形程度下降，減小表層殘余應力。如圖13所示，水基冷卻下的表層殘余壓應力值顯著高于油基冷卻下的表層殘余壓應力值。但隨著深度的增加，水基冷卻的殘余應力迅速減小，在殘余壓應力的最小值處小于油基冷卻殘余壓應力的最小值，因此，水基冷卻液在切削表層得到的殘余壓應力遠高于油基冷卻液，平行和垂直進給方向水基冷卻表層的殘余應力可分別達260 MPa和400 MPa，但在切削亞表面，25 μm左右的深度處，殘余壓應力快速減小至小于油基冷卻液的殘余壓應力。

2.5 表層金相組織

切削過程中，在強烈的熱力耦合作用下，被加工材料表層的微觀組織會發(fā)生復雜演變，最終導致加工表層材料的微觀組織不同于基體材料，發(fā)生改變的表層材料稱為“表面變質(zhì)層”。

鈦合金表面變質(zhì)層主要出現(xiàn)晶粒變形、晶粒細化以及物相的重新分布等微觀組織演變現(xiàn)象，其形成機理受以下三方面變形行為的影響：塑性變形、動態(tài)再結(jié)晶和相變。塑性變形是指在切削加工中，材料的加工表面會受到刀具后刀面的高速摩擦與擠光作用，造成工件表層晶粒中產(chǎn)生位錯滑移和孿生；此外，第一變形區(qū)和第二變形區(qū)產(chǎn)生的切削熱也會傳遞到加工表層導致材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶軟化。動態(tài)再結(jié)晶是指切削過程中的高應變和高應變率使得加工表層的位錯密度迅速增加，材料的變形儲能大量累積，當變形儲能達到一定臨界值且加工表層溫度達到動態(tài)再結(jié)晶溫度時，材料會在位錯密度高的亞晶、缺陷或雜質(zhì)處發(fā)生形核，并生長為新的晶粒。當加工表層溫度超過鈦合金的相變溫度時，還會導致表層鈦合金材料發(fā)生由α-Ti相到β-Ti相的轉(zhuǎn)變，相變程度受切削參數(shù)和冷卻速率的影響。

分析不同行距、切削速度、每齒進給量和切削深度影響下鈦合金葉片不同區(qū)域的金相組織發(fā)現(xiàn)，加工表面不同區(qū)域微觀組織變化較小，沒有產(chǎn)生區(qū)別于基體材料的變質(zhì)層。加工工件典型金相組織如圖14所示，基體的微觀組織由初生α相和晶間殘余β相組成，兩相均呈現(xiàn)等軸狀。對加工表面附近的金相組織進行分析，可以觀察到晶粒的切斷，但并沒有發(fā)現(xiàn)晶粒沿加工方向的偏轉(zhuǎn)及晶粒細化的發(fā)生，采用image-pro plus軟件對晶粒尺寸進行分析和統(tǒng)計，基體及加工表面的晶粒尺寸均集中在11～14 μm之間，因此在葉片切削精加工過程中，葉片表面的力熱水平并沒有使表面產(chǎn)生區(qū)別于基體的變質(zhì)層。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要有兩個原因。一是切削工藝本身的特點。在切削過程中，刀齒不斷切入、切出工件表面，對于加工后的工件，其切削深度低于名義上的切削深度，使得切削加工對加工表面的影響較小。二是切削工藝參數(shù)的原因。在精加工階段，切深最大為0.35 mm，行距最大為0.3 mm，銑削速度最大為100 m/min，每齒進給量最大為0.1 mm，工藝參數(shù)數(shù)值均較小，未采用極端的切削參數(shù)，則在加工表面所產(chǎn)生的力熱水平低，對加工表面的影響較小，因而在葉片表面并沒有產(chǎn)生相應的變質(zhì)層，其物理、力學性能與材料原始狀態(tài)相同，保持了較好的一致性。

3 結(jié)論

（1）切削參數(shù)中，行距和每齒進給量對葉片表面粗糙度影響最大。行距從0.3 mm減小至0.16 mm，葉片表面的殘余高度減小，葉片表面粗糙度平均值從0.64 μm減小至0.48 μm。每齒進給量從0.06 mm增加至0.1 mm，切削力和切削振動增大，在一定程度上增大了表面粗糙度，葉片平均粗糙度從0.4 μm增大至0.62 μm。切削速度及切深對粗糙度的影響不顯著。

（2）行距和每齒進給量影響行距殘留高度和進給殘留高度，對表面形貌影響最為明顯，隨行距和每齒進給量的增加，殘留高度也隨著增加，且由于本文切削參數(shù)較為合理，故工件表面沒有產(chǎn)生劃痕、劃傷和毛刺等缺陷。

（3）各切削參數(shù)對葉片加工表面的顯微硬度影響不大，在本文選取的切削參數(shù)范圍內(nèi)，各切削參數(shù)影響下葉片不同區(qū)域的平均顯微硬度均在335HV左右浮動，數(shù)值差異不大。

（4）葉片銑削后表層殘余應力均表現(xiàn)為壓應力，行距、切深對殘余應力的影響較小。隨切削速度和每齒進給量的增大，表層壓應力先增大后減小，沿深度方向表現(xiàn)出先微弱減小再增大到峰值最后到達基體的趨勢，最大值出現(xiàn)在距離加工表面25 μm至45 μm處，平行和垂直進給方向上最大殘余應力分別達到275 MPa和400 MPa。水基冷卻液在加工表層達到遠高于油基冷卻液的殘余壓應力，平行和垂直進給方向水基冷卻表層可分別達260 MPa和400 MPa的殘余應力，但在切削亞表面25 μm左右的深度處，殘余壓應力快速減小至小于油基冷卻液的殘余壓應力。

（5）葉片精加工時，材料去除量小，工藝參數(shù)所產(chǎn)生的力熱水平低，對葉片表面的顯微硬度影響較小，也沒有產(chǎn)生區(qū)別于基體材料的變質(zhì)層，工件保持了較好的一致性。

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（編輯 袁興玲）

作者簡介：吳澤剛，男，1984年生，博士研究生。研究方向為航空發(fā)動機用鈦合金切削加工表面完整性。E-mail：wuzegang86@163.com。羅 明（通信作者），男，1983年生，教授、博士研究生導師。研究方向為智能制造技術(shù)、復雜結(jié)構(gòu)精密制造、制造過程監(jiān)測優(yōu)化及航空復材制造技術(shù)。E-mail：luoming@nwpu.edu.cn。