鈦合金TA15高速銑削表面形貌及組織研究

王明海，王京剛，鄭耀輝，高蕾，李世永

(沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，遼寧沈陽110136)

0 前言

鈦合金材料以比強度高、耐高溫、耐腐蝕等優異特性，在航空、航天等領域得到了廣泛應用，但由于切削溫度高、化學活性高、切削力大、導熱系數和彈性模量小等特點致使鈦合金的切削加工性較差，從而影響到鈦合金切削加工表面完整性，對鈦合金零部件的疲勞性能造成不利影響［1-2］。高速切削以低的切削力、高的加工效率、高的加工精度及表面加工質量等優異特點，已廣泛應用于制造業［3-6］。

國內外對鈦合金高速切削加工表面完整性進行著積極的研究。J SUN［7］等對端銑Ti-6Al-4V 表面完整性進行了研究，結果表明:表面粗糙度隨進給量和徑向切深的增加而增大，并且銑削表面呈現出各向異性的性質，表面粗糙度值在0.6～1.0 μm 之間。Carl-Frederik WYEN［8］等研究了切削刃口半徑對銑削鈦合金殘余應力和表面粗糙度的影響，結果表明:殘余應力隨切削刃口半徑的增加而增加，尤其是在逆銑中，而在順銑中影響不明顯;切削刃口半徑對表面粗糙度的影響是不均勻的。YANG Xiaoyong［9］等對高速側銑Ti-6Al-4V 表面完整性進行了研究，結果表明:切削速度在320～380 m/min 比在80～120 m/min 的條件下，獲得更好的表面完整性和更高的材料去除率。Kamel MOUSSAOUI［10］等對鈦合金銑削表面完整性進行了研究，發現釩由β 向α 相擴散，但微觀組織并沒有發生變化。以上對表面完整性的研究多集中在Ti-6Al-4V和TC6 等鈦合金材料，而對高速銑削鈦合金TA15 表面形貌及表層組織研究較少［11］。TA15 鈦合金以其在500 ℃下較長的工作壽命［12］，廣泛應用于飛機發動機機匣封閉環、軸承座、承力環，飛機框架、壁板等部位，所以研究其在高速銑削條件下的表面加工質量對于提高相應零部件的疲勞壽命具有重要的意義。

1 試驗條件

試驗所用機床為DMU70 五軸立式加工中心，主軸最高轉速為18 000 r/min，材料為鈦合金TA15，其化學成分為Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr，該鈦合金屬于高Al 當量近α 型合金，尺寸為20 mm×12 mm×7 mm。刀具采用肯納整體硬質合金立銑刀(KC631M)，直徑為φ10 mm，前角10°，后角12°，螺旋角38°，采用乳化液冷卻，順銑加工。

采用TR240 便攜式表面粗糙度儀對工件表面粗糙度進行測量，為提高測量精度，在被加工工件的表面同等距離上取5 個點，每個點進行3 次讀數，取其平均值。采用FEI/PHILIPS Quanta 600 型環境掃描電子顯微鏡對表面形貌進行觀察。

將切割試件進行打磨、拋光后進行腐蝕，腐蝕劑為體積分數配比等于1∶ 3∶ 50 的氫氟酸∶ 硝酸∶ 水，并采用FEI/PHILIPS Quanta 600 型環境掃描電子顯微鏡對表層組織進行觀察。

2 銑削加工表面粗糙度及表面形貌

2.1 主軸轉速對表面粗糙度及表面形貌的影響

圖1所示為主軸轉速n依次選取4 500、7 000、9 500、12 000 r/min，每齒進給量fz為0.04 mm/z，軸向切深ap為0.4 mm，徑向切寬ae為6 mm，銑削加工工件表面中心位置處表面形貌圖，圖2 為不同主軸轉速下的表面粗糙度值。

圖1 不同主軸轉速下的表面形貌

從圖1 可以看出，當主軸轉速由4 500 r/min 增加到9 500 r/min，表面加工刀痕越來越不明顯，表面加工質量越來越好，而當主軸轉速為12 000 r/min時，表面加工質量變差，這與圖2 所測表面粗糙度的變化趨勢是一致的，可見主軸轉速優選9 500 r/min以獲得較好的表面加工質量。

圖2 不同主軸轉速下的表面粗糙度

2.2 軸向切深對表面粗糙度及表面形貌的影響

圖3所示為主軸轉速為7 000 r/min，fz為0.04 mm/z，徑向切寬ae為6 mm，圖(a)、(b)軸向切深分別取0.2、0.6 mm 時的銑削加工表面形貌圖。

圖3 不同軸向切深下的表面形貌

將圖3(a)、(b)與圖1(b)對比發現，隨軸向切深的增大，表面粗糙度值增加。當軸向切深為0.2 mm 時，表面粗糙度取得最小值0.385 μm;當軸向切深為0.6 mm 時，表面粗糙度取得最大值0.641 μm，這是由于軸向切深的增大，使切削力變大，振動加劇，從而使得表面加工質量變差。

3 微觀組織

圖4所示為不同主軸轉速下銑削加工工件表面中心位置的表層微觀組織照片。從圖中可以看出，隨主軸轉速的增加，表層微觀組織的變化并不是很明顯，并沒有觀察到明顯的相變以及晶粒的歪曲，α、β 相的體積分數并沒有太大的變化。

圖4 不同主軸轉速下的表層微觀組織

4 有限元分析

切削溫度對鈦合金切削加工表面粗糙度和微觀組織有著重要的影響，而對切削溫度進行準確測量比較困難［13-14］，為此采用有限元Abaqus 對鈦合金TA15在不同主軸轉速下切削區溫度進行了仿真分析。

工件加工后表面高度的變化在一定程度上反映了工件的表面加工質量，為此對鈦合金TA15 銑削加工表面位移大小進行仿真，在工件穩定切削后的表面同等距離上取10 個點，去掉偏差過大的點，優化選取8 個點，并取這8 個點的輪廓算術平均偏差作為該切削條件下的表面粗糙度值。

由于鈦合金的銑削伴隨著大的變形及應變，在加工過程中涉及高溫、高應變速率耦合的大變形和斷裂，為此在進行網格劃分時，刀具和工件均采用了8節點六面體顯示熱應力耦合線性減縮積分單元C3D8RT。約束條件:對工件底面及xOz面約束包括移動和旋轉所有自由度，對刀具添加沿x方向的移動約束和沿z軸方向的旋轉約束。定義完成的銑削模型如圖5所示。

圖5 三維銑削有限元仿真模型

工件材料等向塑性本構模型定義［15］如下式所示:

圖6所示分別為不同主軸轉速下切削區的溫度分布云圖。

圖6 不同主軸轉速下溫度場分布云圖

從圖中可以看出，最高溫度均出現在刀-屑接觸面處(圖中圓圈標注處)，距離刀尖的距離為0.01～0.03 mm 的位置。最高溫度整體上隨著主軸轉速的增加而升高，而當主軸轉速為9 500 r/min 時，最高溫度有所下降。在主軸轉速為12 000 r/min 時，最高溫度達到最大值1 006 ℃。盡管TA15 的相變點為990℃，刀-屑區的最高溫度達到1 006 ℃，但是在切削過程中，切屑帶走了絕大部分的熱量，傳遞給已加工表面的熱量只是很少一部分，所以并不能使得已加工表面發生相變。

圖7所示為主軸轉速為9 500 r/min 時，在工件表面等距離(2 mm)選取參考點測量的表面高度的變化情況。從圖中可以看出除少數點表面高度達到0.6 μm 之外，其余點的表面高度均在-0.4～0.4 μm 之間。經計算所取100 個點的輪廓算數平均偏差為0.341 μm，與實際測量表面粗糙度的誤差為9.31%。同時，主軸轉速為4 500 r/min、7 000 r/min、12 000 r/min 下所得的輪廓算術平均偏差分別為0.557 μm、0.365 μm、0.374 μm，經計算與實際測量的表面粗糙度值的誤差分別為9.14%、10.32%、9.88%。從仿真及計算結果可以看出，仿真值與試驗測量值比較吻合，從而證明通過有限元軟件分析銑削鈦合金加工表面位移大小，把銑削加工表面的輪廓算數平均偏差作為表面粗糙度的評定參數，分析表面粗糙度值的正確性及有效性。

圖7 加工表面高度值波動變化曲線

5 結論

(1)當主軸轉速由4 500 r/min 增加到9 500 r/min，表面加工質量越來越好，表面粗糙度值逐漸降低，而當主軸轉速繼續增大時，表面加工質量變差，表面粗糙度值增大;但主軸轉速對微觀組織的影響并不是很明顯。

(2)軸向切深對表面粗糙度和表面形貌的影響比較顯著。

(3)切削區最高溫度出現在刀- 屑接觸面處，距離刀尖的距離0.01～0.03 mm 的位置。最高溫度整體上隨著主軸轉速的增加而升高，而當主軸轉速為9 500 r/min 時，最高溫度有所下降。

(4)表面粗糙度的有限元仿真結果與試驗測量結果基本一致，當主軸轉速為9 500 r/min 時得到的加工表面高度變化范圍基本在-0.4～0.4 μm 之間，很好地分析了加工工件表面粗糙度值，證明了有限元分析銑削鈦合金表面粗糙度值的正確性及有效性。

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