超聲縱扭輔助銑削TiAl 合金表面質(zhì)量及刀具磨損研究*

宋陽軒 汪振華 黃 雷

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094）

TiAl 合金因具備高比強度、抗高溫及耐腐蝕等優(yōu)異性能被廣泛應用于航空制造領域[1]。TiAl 合金與傳統(tǒng)航空材料相比具有更好的綜合性能，不僅強度高于鈦合金，還具有遠低于鎳基高溫合金的密度[2]。然而，TiAl 合金的延展性差、斷裂韌性低等特性導致加工困難，所獲工件表面質(zhì)量較差[3]。因此，如何提高TiAl 表面質(zhì)量成為學者的研究熱點方向之一。

當前TiAl 合金表面完整性的研究主要圍繞表面粗糙度、切削力、刀具磨損等方面。Hood R 等[4]進行了槽銑γ-TiAl 的研究，建立了殘余應力數(shù)據(jù)在內(nèi)的工件表面完整性特征。Hood R 等[5]對高速銑削γ-TiAl 合金進行了較為完整的研究，包括切削力、切削溫度、刀具磨損及表面粗糙度。Ren J X 等[6]對第三代γ-TiAL 合金進行高速銑削試驗，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度主要受螺旋角的影響，并隨著刀具前角、初起伏角及螺旋角的增大而減小。馬英石等[7]對γ-TiAl 進行銑削試驗發(fā)現(xiàn)隨著切削深度的降低或進給速度的提高，加工表面塑性變形減小及表面質(zhì)量變好。李鋒等[8]研究了不同切削參數(shù)對鈦鋁合金表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)在較小的切削深度和較高的切削速度情況下獲取的工件表面裂紋較少。馬曉迪[9]對Ti2AlNb 進行銑削試驗發(fā)現(xiàn)表面粗糙度與刀具磨損和進給量呈正相關。方群兵等[10]進行了TiAl 合金薄壁件銑削加工研究發(fā)現(xiàn)行距和進給量對表面粗糙度影響較大，主軸轉速的影響較小。雖然眾多學者對TiAl 合金的表面質(zhì)量進行了研究，但研究的加工方式大多為傳統(tǒng)加工，獲得的TiAl 合金表面質(zhì)量也較為一般。

超聲輔助加工作為一種新型加工方式已被證明可以有效提高難加工材料的表面質(zhì)量[11-14]。盧躍鋒等[15]發(fā)現(xiàn)以超聲縱振方式輔助銑削TiAl 合金，有效降低了合金表面粗糙度，并使其表面硬度有所提升。本文采用縱扭復合的超聲方式加工TiAl 合金，系統(tǒng)分析表面粗糙度、表面形貌和表面硬度隨切削速度、每齒進給量及切削深度的變化規(guī)律，并研究兩種加工方式下的切屑形態(tài)及加工刀具各底刃的磨損量和磨損形式，研究結果對改善TiAl 合金的加工表面質(zhì)量和延長刀具壽命具有實際意義。

1 試驗

1.1 試驗條件

試驗加工平臺如圖1 所示，在DerThrone VMC50-U 五軸立式加工中心進行。機床主軸搭配超聲縱扭銑削輔助系統(tǒng)JZ001，通過非接觸式超聲線圈傳輸信號并連接螺旋溝槽式超聲刀柄。刀具型號為GM-4E-D6.0 硬質(zhì)合金立銑刀，涂層采用TiAlN，螺旋角為45°。試驗加工材料為定向片層組織的γ-TiAl 合金（Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr），其性能參數(shù)見表1。

表1 TiAl 合金的材料性能

圖1 超聲縱扭銑削平臺

1.2 試驗方案

試驗采用單因素對照方案，通過對TiAl 合金進行普通銑削和超聲縱扭銑削端銑試驗，研究兩種加工方式不同切削參數(shù)對表面粗糙度、表面形貌及表面硬度的影響規(guī)律。試驗設置固定參數(shù)徑向切削寬度ae為4 mm，刀具伸出長度lp為28 mm，超聲功率P為30 W；試驗變量為切削速度vc、每齒進給量fz、切削深度ap和超聲頻率f，具體參數(shù)見表2。

表2 銑削參數(shù)表

TiAl 合金表面粗糙度Ra 通過白光干涉儀（VKXX 100SERIES）對已加工表面任取3 點重復測量5次取平均值；表面顯微硬度通過顯微硬度計（HV-1000IS）在載荷大小1 kg，保荷時間15 s 的條件下測量。TiAl 合金表面殘留溫度由FLUKE 紅外熱像儀Ti200 測出。

2 結果與分析

2.1 表面粗糙度

不同切削參數(shù)下CM 與ULTM 鈦鋁合金的表面粗糙度變化規(guī)律如圖2 所示。由圖2a 和圖2c 可知ULTM 對鈦鋁合金表面質(zhì)量有明顯的改善作用，分析其原因如下：一方面，超聲輔助銑削使連續(xù)的銑削加工變?yōu)楦哳l的斷續(xù)加工，增加了刀具與加工面的散熱時間，減緩了刀具磨損，使切削過程更為穩(wěn)定，切削力也更小；另一方面，高頻的超聲振動具有一定軟化作用，可以減小瞬時切削材料時的局部變形，并會對已加工表面進行二次加工，使表面質(zhì)量得到改善。

圖2 不同切削參數(shù)下CM 與ULTM 線粗糙度變化規(guī)律

然而，圖2b 表明ULTM 對表面粗糙度的作用效果并不單一。當每齒進給量小于0.015 mm/z 時，表面粗糙度會有所改善，但隨著每齒進給量的增加，ULTM 表面粗糙度較CM 會有所提升。原因是刀具振動改變了工件的表面形貌，進給速度過快時，刀具與工件的接觸時間縮短，不平整的形貌熨壓效果變?nèi)?，使其粗糙度增加?/p>

此外，超聲頻率對TiAl 合金表面粗糙度規(guī)律如圖2d 所示。當超聲頻率在31.50～32.00 kHz 時，工件表面粗糙度隨著頻率的增大而增大。這是由于一定范圍內(nèi)，超聲振幅隨著超聲工作頻率的增加而增加，使超聲工作的熨壓效果提升表面質(zhì)量改善。但隨著超聲振幅的進一步提高，加劇了切削力和振動，表面粗糙度又有所上升。

2.2 表面硬度

圖3 所示為不同切削參數(shù)下TiAl 合金表面顯微硬度的變化規(guī)律，可知TiAl 合金的基體硬度為270 HV，經(jīng)銑削加工后的工件表面顯微硬度顯著提升至364～384 HV。其表面硬化主要源于以下三個方面：切削溫度引起的熱軟化效應；塑性變形產(chǎn)生的強化效應及高溫下Ti 的氮化及氧化[15]。由圖3a～圖3c 可知采用ULTM 加工比CM 加工對TiAl 合金的表面硬化程度更顯著，表面硬度平均提升了約16%。這是由于ULTM 斷續(xù)加工的特性，一定程度上提高了刀具的散熱率并降低了切削阻力，使ULTM的熱軟化效應和表面強化效應較CM 更弱，同時超聲振動產(chǎn)生熨壓作用，將使 ULTM 加工表面硬度有所提升。

圖3 不同切削參數(shù)下CM 與ULTM 金表面硬度變化規(guī)律

但圖3a～圖3c 中表面硬度隨著切削參數(shù)的增加有所下降，這是較大的切削參數(shù)使單位時間內(nèi)材料的去除量增加，切削溫度與切削力變大。一方面，切削溫度的上升使TiAl 合金表面更易積累熱量，降低了α相與γ相的粘合力，引起TiAl 合金的熱軟化效應；另一方面，切削力增大使內(nèi)部晶粒更易發(fā)生扭曲變形，繼而阻礙材料的塑性變形。

圖3d 可知，當超聲頻率為31.50 kHz 時，TiAl合金表面硬度最高為668 HV，隨著超聲頻率的提高，表面硬度下降并隨后趨于平穩(wěn)。這是由于超聲振幅的增大，增加了銑削切寬及切深，提高了切削阻力使表面硬度上升。但隨著超聲頻率的進一步提升，ULTM 凈切削時間延長，切削熱量增加，熱軟化效應增強使表面硬度下降。

2.3 表面形貌

如圖4 為在條件vc=70 m/min、fz=0.1 mm、ap=0.1 mm 時工件表面的SEM 形貌圖。由圖4a 可觀察到ULTM 的刀路紋理為波浪狀，在超聲刀紋明顯處TiAl 合金有較多材料拔出。圖4b 中CM 加工表面刀痕較深，有較多黑色凹坑，并且在較深刀痕處能發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，表面質(zhì)量較差。

圖4 不同加工方式銑削TiAl 合金表面形貌對比圖

觀察不同切削速度的表面形貌（圖5）可知，切削速度在50～70 m/min 內(nèi)的表面形貌普遍較好，沒有明顯的表面缺陷。但是隨著每齒進給量和切削深度的增加，表面缺陷隨之增加。當fz=0.025 mm/z或ap=0.3 mm 時，能發(fā)現(xiàn)明顯的凹坑及材料拔出現(xiàn)象，這是因為隨著切削參數(shù)的增加材料去除了增加，使切削力變大，TiAl 合金更易被拔出基體并在表面產(chǎn)生裂紋和凹坑。

圖5 不同切削參數(shù)下ULTM 加工TiAl 合金表面形貌圖

2.4 切屑形態(tài)

圖6 為兩種加工方式在vc=70 m/min，fz=0.01 mm/z，ap=0.1 mm 條件下切屑的SEM 形貌圖。對比圖6a和圖6b 可知，CM 切屑表面質(zhì)量較ULTM 更差，裂紋和拔出等缺陷更為嚴重并且切屑兩端的形狀破損嚴重，而ULTM 切屑呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀。觀察圖6b 和圖6d 的層片界面都能發(fā)現(xiàn)光滑的斷裂面，說明兩種加工方式下TiAl 合金發(fā)生了明顯的脆性斷裂，但CM 的層片界面有較多的拔出現(xiàn)象。同時兩種加工方式得到的切屑斷裂方向也有所不同，ULTM 的斷裂方向主要是沿層間斷裂，而CM 的斷裂方向既有穿層斷裂又有沿層斷裂，原因是TiAl合金裂紋會沿著層間和層間結合力較弱的地方拓展，當切削力大于層間結合力時將發(fā)生穿層斷裂。由于CM 的切削力較大，因此CM 更易形成沿層斷裂和穿層斷裂。當裂紋進一步拓展時，ULTM 的斷口會形成片層撕裂，而CM 的切削力較大會使層片發(fā)生整體滑出現(xiàn)象。

圖6 不同加工方式下切屑SEM 形貌圖

2.5 刀具磨損

圖7 所示為TiAl合金相同切削參數(shù)下銑削150 mm3時刀具各底刃的磨損量，可知采用ULTM 加工將明顯減少刀具端刃磨損，磨損量平均下降約33%。一方面，ULTM 的高頻振動會使超聲設備的振幅桿產(chǎn)生大量熱，并通過刀具上傳遞到工件加工表面，使材料發(fā)生軟化更易被加工；另一方面，ULTM 斷續(xù)加工的特性提高了刀具的排屑能力，避免了積屑瘤的刮蹭作用，使刀具磨損量減少。

圖7 銑削150 mm3 時刀具各切削底刃磨損量圖

由圖8 可知，刀具的失效形式主要是崩刃及涂層剝落。其中CM 加工刀具的底刃存在更多的粘結，側刃發(fā)生較深的剝落，而ULTM 刀具底刃較為光潔，粘結物和剝落現(xiàn)象較少。由圖9 的EDS 能譜結果可知，兩種加工方式的刀具磨損形式不同。其中CM刀具以N、Ti 及Al 元素為主，同時Ti、Al 元素含量為34.6%，高于刀具涂層中Ti、Al 的含量，說明多余原子來自工件同時發(fā)生了粘結磨損。ULTM 刀具則以C 元素為主，同時O 元素含量高達21.2%。但刀具涂層及TiAl 合金工件不含C 元素，則說明該C 元素來自刀具內(nèi)部的WC 分解并隨著氧化磨損擴散到了ULTM 白色區(qū)域。分析其原因是ULTM時切削溫度較高，刀具周期性的斷續(xù)加工增加了刀具底刃與O 元素反應時間，使刀具更易氧化并將刀具基體中的WC 析出。

圖8 端刃磨損形貌圖

圖9 端刃磨損EDS 能譜圖

2.6 切削溫度

圖10 所示為CM 與ULTM 加工TiAl 合金后工件表面殘留溫度隨切削速度變化規(guī)律圖。由圖10可知，采用ULTM 后TiAl 合金表面殘留溫度要遠高于CM 加工后，并且ULTM 的殘留溫度隨切削速度大小的變化幅度相對更小。一方面是選用的工件尺寸和切削參數(shù)較小，銑削時間和切削溫度較低，超聲振動帶來的熱起主要作用；另一方面，超聲振動周期性的分離縮短了刀具與工件及切屑的接觸時間，散熱得到改善，使溫度上升幅度有所下降。

圖10 工件表面殘留溫度隨切削速度變化規(guī)律圖

3 結語

通過單因素的對照試驗，研究了普通端銑與超聲縱扭端銑在不同切削參數(shù)下加工鈦鋁合金對其表面質(zhì)量及顯微硬度的影響，得出以下結論：

（1）在所給參數(shù)范圍內(nèi)TiAl 合金的表面加工質(zhì)量普遍較好，加工件表面粗糙度在0.18～0.57 μm之間；由于ULTM 的熨壓作用在一定范圍內(nèi)對加工面的粗糙度有明顯改善，表面粗糙度最低為0.182 μm，表面質(zhì)量改善率達到47.85%。

（2） 隨著切削參數(shù)的變大，TiAl 合金表面硬度都有所下降，但超聲縱扭銑削相較傳統(tǒng)銑削對表面硬度有著顯著的增強作用，使表面硬度平均提升了約16%。

（3） 實驗發(fā)現(xiàn)在當vc=70 m/min、fz=0.01 mm、ap=0.1 mm、f=32 kHz 時，ULTM 加工產(chǎn)生的切屑表面質(zhì)量較好，呈明顯的鋸齒狀。雖然兩種加工方式的斷裂方式明顯都為脆性斷裂，但ULTM 加工切屑的斷裂方向以沿層斷裂為主。

（4） 當TiAl 合金銑削150 mm3時，發(fā)現(xiàn)采用ULTM 加工刀具底刃的磨損量明顯減少，并且兩種加工方式下的磨損形式不同。CM 刀具底刃主要發(fā)生粘結磨損，而ULTM 由于切削溫度較高，刀具底刃容易發(fā)生氧化磨損。

（5） 兩種加工方式下工件表面殘留溫度隨著主軸轉速增加的變化規(guī)律相同，但ULTM 變化幅度更小，并且相同參數(shù)下ULTM 銑削后工件表面殘留溫度明顯高于CM，超聲振動產(chǎn)生的熱對切削溫度其主要作用。