錐度球頭刀加工鈦合金TC4表面粗糙度建模

摘 要：高性能商用航空發(fā)動機大型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片高速旋轉(zhuǎn)時存在分層開膠風(fēng)險，需要在其前緣通過膠結(jié)工藝裝配鈦合金TC4前緣金屬加強邊予以保護(hù)，而膠結(jié)性能受到裝配表面粗糙度影響較大。本文針對鈦合金TC4前緣金屬加強邊內(nèi)腔加工表面粗糙度，以主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量和軸向切深為設(shè)計因子，分別開展4種細(xì)長錐度球頭刀四軸銑削鈦合金TC4試驗，測試已加工表面粗糙度?；跍y試的樣本數(shù)據(jù)，分別針對4種細(xì)長錐度球頭刀建立加工表面粗糙度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速增加，直徑為5.0mm時，表面粗糙度大幅降低，直徑為3.0mm時，表面粗糙度卻有所增加；主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量增加時，直徑4.0mm、2.4mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度沒有較大變化。隨著軸向切深增加，4種直徑的刀具加工的表面粗糙度均大幅增加。

關(guān)鍵詞：鈦合金TC4； 多軸銑削； 錐度球頭刀； 表面粗糙度； 弱剛性

中圖分類號：V261.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.08.009

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（52075451）；航空科學(xué)基金（2019ZE053008）

國外在商用大涵道比渦扇發(fā)動機中已廣泛采用尺寸更大、重量更輕的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，如美國GE公司的GEnx發(fā)動機以及LEAP-X系列發(fā)動機均開始采用復(fù)材葉片[1]。相對于傳統(tǒng)的鈦合金葉片，復(fù)材葉片具有許多優(yōu)勢，包括重量輕、效率高、噪聲低、燃油消耗率較低、抗顫振性能和損傷容限能力優(yōu)異等。與空心風(fēng)扇葉片一樣，復(fù)材葉片服役的巨大挑戰(zhàn)是抗鳥撞能力弱，同時復(fù)材葉片高速旋轉(zhuǎn)時，可能會出現(xiàn)進(jìn)氣邊分層開膠的問題[2-3]。為解決該問題，需要在復(fù)材葉片的前緣采用金屬加強邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。加強邊與復(fù)材葉片之間使用膠結(jié)工藝進(jìn)行裝配，膠結(jié)質(zhì)量受加強邊內(nèi)腔表面粗糙度的影響較大[4]。鈦合金表面越粗糙，表面有更多的接觸面積，從而有利于膠黏劑更好地滲透和附著，形成更強的物理連接，與碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）之間的膠結(jié)強度就越大[5]。但過高的粗糙度會導(dǎo)致膠結(jié)界面不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中和氣泡等缺陷，從而降低膠結(jié)強度。

前緣金屬加強邊材料為難加工鈦合金TC4材料，其內(nèi)腔具有深且狹長、扭曲度大等特征，精加工需采用定制的細(xì)長錐度球頭刀具，剛性極弱。其內(nèi)腔銑削加工表面粗糙度受到弱剛性刀具結(jié)構(gòu)及銑削參數(shù)影響。文獻(xiàn)[6]率先研制復(fù)材風(fēng)扇葉片，采用了五軸數(shù)控加工方式來制造前緣加強邊；文獻(xiàn)[7]首先提出采用數(shù)控加工技術(shù)制造鈦合金前緣加強邊并率先完成工程化應(yīng)用；文獻(xiàn)[8]給出了加強邊的數(shù)控加工工藝方案。然而上述報道未涉及表面粗糙度。原恩桃等[9]給出了球頭刀銑削曲面表面粗糙度的理論計算方法，分析了切削深度和進(jìn)給速率對加工表面粗糙度的影響規(guī)律。Zhang Minli等[10]認(rèn)為在考慮環(huán)形銑刀的直徑和圓角半徑的情況下再選擇合適的切削進(jìn)給速率和切削寬度是獲得理想表面粗糙度的新途徑。Cheng Dejun等[11]考慮刀具幾何形狀、每齒磨損重疊分布、刀具跳動和磨損重疊區(qū)，建立球頭刀多軸加工的時變表面粗糙度預(yù)測模型。楊小璠等[12]研究了細(xì)長球頭刀的懸伸量對模具鋼銑削表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)切寬方向上的表面粗糙度受懸伸量影響較??；而當(dāng)懸伸量超過100時，走刀方向上的表面粗糙度受懸伸量影響較大。方淑君[13]研究球頭刀具空間姿態(tài)對銑削加工表面粗糙度的影響規(guī)律，并給出了最佳前傾角和側(cè)傾角約為50°。針對細(xì)長錐度球頭刀而言，刀具直徑、銑削參數(shù)、刀具懸長等均會對加工表面粗糙度產(chǎn)生影響，但鮮有相關(guān)的公開報道。

本文針對前緣金屬加強邊內(nèi)腔高表面粗糙度需求的工程背景，通過試驗手段，建立弱剛性細(xì)長錐度球頭刀多軸加工鈦合金TC4表面粗糙度的預(yù)測模型，探索工藝參數(shù)對鈦合金TC4表面粗糙度的影響規(guī)律，可為前緣金屬加強邊內(nèi)腔多軸精密銑削工藝參數(shù)優(yōu)化奠定模型基礎(chǔ)。

1 鈦合金TC4銑削試驗

1.1 試驗條件

鈦合金TC4精密銑削試驗在MIKRON HSM800加工中心上進(jìn)行。刀具采用四齒整體硬質(zhì)合金錐度球頭刀，直徑分別為5.0mm、4.0mm、3.0mm和2.4mm，半錐角度均為1.8°，所有試驗均采用相同懸長量。工件為鈦合金TC4楔形塊。加工方式為順銑、乳化液冷卻。加工現(xiàn)場如圖1所示。

采用自動顯微硬度測試儀FEM-8000測試鈦合金TC4材料的顯微硬度，取4次平均值HV=352.25，滿足鈦合金TC4材料表材料要求。如圖2所示，采用Marsurf XT20表面粗糙度測試系統(tǒng)進(jìn)行測量加工表面粗糙度測試，每個試樣測試三次取平均值。

采用三因素四水平的正交試驗法，選取主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量和軸向切深作為變量因子?；诂F(xiàn)有鈦合金TC4銑削工程經(jīng)驗，直徑5.0mm和4.0mm錐度球頭刀主軸轉(zhuǎn)速參數(shù)范圍為8000～11000r/min，每齒進(jìn)給量參數(shù)范圍為0.01～ 0.04mm/z，軸向切深參數(shù)范圍為0.1～0.4mm；直徑3.0mm和直徑2.4mm錐度球頭刀主軸轉(zhuǎn)速n范圍為8000～11000r/min，每齒進(jìn)給量fz范圍為0.01～0.04mm/z，軸向切深ap范圍為0.05～0.20mm；直徑5.0mm、直徑4.0mm、直徑3.0mm和直徑2.4mm錐度球頭刀的切削寬度ae依次為0.45mm、0.40mm、0.35mm和0.31mm。具體銑削參數(shù)試驗水平見表1。

1.2 試驗結(jié)果及分析

鈦合金TC4精密銑削后，工件表面粗糙度的測試結(jié)果見表2和表3，其中，Ra為表面粗糙度參數(shù)值。

圖3（a）展示了4種錐度球頭刀加工情況下的轉(zhuǎn)速與表面粗糙度的極差分析曲線?？梢钥闯觯傮w上表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增高呈現(xiàn)降低趨勢。這是由于高速加工條件下有利于降低切削力。圖3（b）展示了4種錐度球頭刀加工情況下的每齒進(jìn)給量與表面粗糙度的極差分析曲線。可以看出，當(dāng)?shù)毒咧睆捷^小時表面粗糙度隨每齒進(jìn)給量的增加先減小后增大，刀具直徑為3mm時，表面粗糙度隨每齒進(jìn)給量的增加先減小后增大的變化趨勢最明顯，當(dāng)?shù)毒咧睆綖?mm時，隨著每齒進(jìn)給量的增加表面粗糙度逐漸增大。較大的每齒進(jìn)給量會導(dǎo)致增加表面粗糙度。但對于弱剛性細(xì)長刀具來說，合適的進(jìn)給會減小加工振動從而降低加工表面粗糙度。圖3（c）展示了4種錐度球頭刀加工情況下的軸向切深與表面粗糙度的極差分析曲線?？梢钥闯?，表面粗糙度隨軸向切深的增大而增大，刀具直徑越小趨勢越明顯。較大的切削深度會增大切削力，導(dǎo)致加工振動，進(jìn)而增加表面粗糙度。綜上可見，弱剛性細(xì)長錐度球頭刀銑削振動對加工表面粗糙度的影響較為明顯。

2 表面粗糙度經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

采用多元回歸分析的方法來表征鈦合金TC4與精密銑削參數(shù)之間的映射關(guān)系，回歸分析既能反應(yīng)出各種自變量對因變量之間的關(guān)系，又能反應(yīng)各種變量之間的相互影響。影響表面粗糙度的三個主要因素包括軸向切深、每齒進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速，由于上述三個因素之間的相互關(guān)系未知且它們對表面粗糙度的指數(shù)關(guān)系未知，因此選擇三元二次多項式來擬合軸向切深、每齒進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速與表面粗糙度之間的關(guān)系，將已加工表面粗糙度Ra表征為三個參數(shù)的多項式函數(shù)如下

3 結(jié)論

本文針對鈦合金前緣金屬加強邊內(nèi)腔多軸精密加工工程背景，開展加工表面粗糙度建模方法研究，發(fā)現(xiàn)錐度球頭刀的直徑對多軸加工表面oEpt7HvLVSOXZErLrl8AEtUv96GvTsrWg39BQM8MX5Y=粗糙度的變化規(guī)律有所影響。主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，直徑5.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度大幅降低，而直徑3.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度卻有所增加，直徑4.0mm、2.4mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。

（2）隨著每齒進(jìn)給量的增加，直徑5.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度不斷增加，而直徑3.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度卻先大幅下降然后有所增加，直徑4.0mm、2.4mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度的變化不明顯。

（3）隨著主軸切深的增加，4種直徑的錐度球頭刀加工的表面粗糙度均大幅增加，且直徑3.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度變化最劇烈。

（4）建立了4種錐度球頭刀加工鈦合金TC4的表面粗糙度的多項式經(jīng)驗預(yù)測模型，可為鈦合金TC4前緣金屬加強邊內(nèi)腔精密加工表面粗糙度優(yōu)化提供基礎(chǔ)模型，進(jìn)而提升加強邊與復(fù)材葉片的黏結(jié)性能。

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Modeling the Surface Roughness for Machining Titanium Alloy TC4 with Taper Ball-end Cutter

Zhou Jinhua1，2， Zhao Chaoqun1，2， Qi Qi1，2， Ren Junxue1，2

1. Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero-engine，Northwestern Polytechnical University，Ministry of Industry and Information Technology， Xi’an 710072， China

2. Engineering Research Center of Advanced Manufacturing Technology for Aero-engine， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

Abstract： Large composite fan blades of high-performance commercial aero-engines are at risk of delamination and gluing during high-speed rotation. It is necessary to protect the leading edge of the blade by assembling a titanium alloy TC4 leading edge metal reinforcement edge through the gluing process. However， the performance of gluing is greatly affected by the roughness of the assembled surface. In this paper， for the machining surface roughness of the inner cavity of titanium alloy TC4 leading edge metal reinforcement edge， with spindle speed， feed per tooth and axial cutting depth as design factors， four experiments were conducted using slender tapered ball-end cutters to machine the titanium alloy TC4. The surface roughness of the machined samples was measured. Based on the collected data， empirical surface roughness models were established for the four types of slender tapered ball-end cutters. The results show that the spindle speed increases and the surface roughness decreases considerably at a diameter of 5.0mm. Conversely， the surface roughness increases for a diameter of 3.0mm. The surface roughness machined by the tapered ball end cutter with diameters of 4.0mm and 2.4mm did not change significantly when the spindle speed and feed per tooth increased. The surface roughness machined by all the four diameters of the cutters increased substantially with increase in axial depth of cut.

Key Words： titanium alloy TC4； multi-axis milling； taper ball-end cutter； surface roughness； weak stiffness