鈦合金TB6銑削加工硬化實驗

周子同 陳志同

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

蔣理科

(中航工業 昌河飛機工業(集團)有限責任公司，景德鎮333000)

李秀琴

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點，在航空、航天等工業部門中的應用越來越廣泛，用于制作飛機和發動機中的主要構件.但是，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難.同時，由于鈦的化學活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮;切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化.

加工硬化現象一般對提高零件疲勞壽命會帶來有利影響，但硬化程度超過一定范圍時不僅會降低零件的疲勞強度，而且能加劇刀具磨損，是切削鈦合金時一個很重要的特點.為了盡可能研究透徹加工硬化的產生機理以及加工硬化對疲勞強度的影響，最終提高零件的壽命，對加工硬化的研究是非常必要并且迫切的.

文獻［1］研究了在線速度為10 m/min、進給量為0.1 mm/r、切深為0.7 mm的條件下對某 γ相鈦合金進行車削的表面完整性，得出了硬度最大值出現在表面并且硬化層在表面下100 μm內的結論.文獻［2］研究了高速銑削參數對TC4鈦合金表面完整性的影響，指出銑削速度從113 m/min增加到301m/min時，硬化深度隨銑削速度的升高而減小，而當銑削速度升高到377 m/min時，硬化深度略有增大.文獻［3］對TC21進行了銑削加工，考察了加工硬化隨進給量及切深的變化趨勢，認為進給量及切深對TC21硬化率及硬化深度影響并不明顯.文獻［4］研究發現，使用更低線速度或者加工過程中使用冷卻液時會使硬化率提高.文獻［5］通過非涂層和涂層刀具干銑鈦合金Ti-6242S實驗得到結果:在切削參數相同條件下，非涂層刀具磨損后，工件表面硬度增大值稍有降低，但會增加硬化層硬度峰值，并且會略微增加硬化深度.

國內外學者對鈦合金的表面完整性已經進行的一些研究，對TB6材料的研究有一定的參考價值，但對TB6材料銑削加工硬化的研究仍然欠缺.本文將對加工參數與TB6加工硬化現象進行研究，為TB6銑削加工過程提供依據與方法.

1 加工硬化含義及評價標準

文獻［6］首先引入了表面完整性的概念，將它定義為在機械加工過程中或者其他表面處理過程中產生的表面強化狀態.加工硬化是加工表面層的物理力學性能，是表面完整性的重要指標之一.

在機械加工過程中金屬表面層發生塑性變形，在塑性變形作用下使金屬強化的現象稱為加工硬化.在金屬塑性變形過程中，金屬晶粒發生滑移，晶格發生畸變，晶粒形狀及尺寸發生變化，并形成結構.

根據位錯理論，塑性變形時金屬的強化在于位錯集中在滑移線的附近［7］.由于位錯周圍為彈性應力場，所以對下一步的塑性變形必須比非強化金屬有更大的應力.加工硬化會導致金屬密度和塑性變形程度成比例地降低，并且導致金屬變形阻力增大，塑性降低，硬度增高.

加工硬化通常以硬化層深度hd和硬化程度N表示.hd是指已加工表面至未硬化處的垂直距離，硬化程度N是已加工表面的顯微硬度值對原始顯微硬度的百分數［8］.

式中，H為已加工表面的顯微硬度，GPa;H0為原基體金屬的顯微硬度，GPa.

2 TB6鈦合金銑削加工硬化實驗

2.1 試件材料

試件材料為TB6合金，又稱Ti-1023.Ti-1023是一種典型的近β型鈦合金，名義成分為Ti-10V-2Fe-3A1，化學成分組成如表1所示［9］.

表1 TB6鈦合金的化學成分 %

TB6合金具有比強度高、斷裂韌性好、淬透截面大、各向異性小和耐腐蝕能力強等諸多優點.該合金最高工作溫度可達320℃，適宜生產鍛件、板材和型材.另外，TB6的拉伸強度和疲勞性能與飛機結構件常用結構鋼30CrMnSiA一致，在飛機機身、機翼、起落架結構中替代與30CrMnSiA相同強度的結構鋼可減重40%，在制造飛機機體和起落架等大型承力構件中替代Ti-6A1-4V可實現20%的減重.

2.2 實驗設備

TB6試件經過線切割制成截面為正方形的長方體，尺寸為20 mm×20 mm×30 mm.由于線切割過程中可能存在一些誤差，要求在實驗之前使用直角尺檢驗各樣件，選出合格樣件進行實驗.

試件的銑削加工是在三軸立銑床上進行，刀片為山特維克TiAlN涂層硬質合金方肩立銑刀，刀尖圓弧半徑為R3.0～3.2 mm，刀盤直徑50 mm，型號為R390-50Q22-17L.

樣件加工之后的研磨與拋光使用了UNIPOL-802研磨拋光機，硬度測試使用了FM-800顯微維氏硬度計.

2.3 實驗參數選取

為了研究TB6銑削參數對加工硬化的影響，考慮線速度(Vc)、進給量(fz)與切深(ap)3個因素，每個因素選取3個水平.為了最終可以選出對加工硬化影響最大的因素，1～9組切削參數由等水平正交表L9(33)確定.同時，添加4組數據與正交表中數據組合可獲得單因素與加工硬化的影響.

另外，為了研究刀具后刀面磨損對加工硬化的影響，在銑削參數為 Vc=60 m/min，fz=0.12 mm/齒，ap=0.2 mm 的條件下，使用后刀面磨損量(VB)分別為 0.1，0.2 和 0.35 mm 的刀片對樣件進行加工，然后測量表面硬化率及硬化層深度的變化.

2.4 實驗過程

在三軸立銑床上使用山特維克刀片對樣件進行端銑，銑削方式為順銑，采用冷卻液進行冷卻.銑削完成之后，在每個樣件的加工表面測出表面硬度值，以便獲得表面硬化率數值.

由于TB6硬化層較淺，所以采用斜切法對樣件進行處理:在已加工表面上，距邊緣5～10 mm處研磨出與加工面有2°夾角的斜面.采用粗磨、精磨、拋光的方式逐步研磨，使研磨面不產生加工硬化層.為了盡可能使測試結果更準確，需要保證斜面與已加工面之間的交角不產生圓角.斜切研磨之后的試件如圖1a所示.在已拋光表面進行硬度測試的壓痕如圖1b所示.

圖1 硬度測試實驗圖像

使用FM-800顯微維氏硬度計對試件進行硬度測試，硬度測試的加載載荷為0.981 N，保荷時間選為10 s［11］.實驗中測得 TB6基體硬度值為370～378 Hv.在斜切面上從分界線開始逐點測量，直至硬度值降低至370～378 Hv并且不再超出此范圍.通過斜切面上第n個壓痕與第1個壓痕之間的距離Sn與角度關系，則可求得第n個壓痕與表面的垂直距離，從而可得出硬化層深度hd.對硬化層測試的整體壓痕分布如圖1c所示.

為了觀察切削加工之后的表面層特性，沿著銑削速度方向對試件截面進行切割，并且對切割面進行研磨、拋光、腐蝕等流程，然后在1 000倍光學顯微鏡下對試件觀察拍照，可以得到表層組織的金相照片.

3 實驗結果及分析

3.1 銑削參數與加工硬化之間的關系

通過實驗得出正交實驗結果，實驗參數及實驗結果如表2所示.

表2 實驗參數及結果

通過第5、第11和第12組數據可得到線速度對表面硬化率的影響曲線，通過第3、第11、第13組數據可以得出進給對表面硬化率的影響曲線，通過第2、第10、第11組數據可得到切深對表面硬化率的影響曲線，結果見圖2.

從圖2可以看出，線速度從30 m/min升高到60 m/min時硬化率略有下降，而再升高到90 m/min時則出現較為明顯的下降.這是在較低的切削速度范圍內，隨著切削速度的增加，塑性變形速度增大，第1變形區變窄，材料的塑性下降，而且切削速度增高會縮短后刀面與材料的接觸時間，使加工硬化來不及充分進行;此外，切削速度的增加，又會使切削溫度增加，使軟化進行得較為充分，這些影響都會使加工硬化程度隨線速度增加而逐步降低.

然而隨著線速度上升到150m/min，硬化率又略微上升，這是因為加工過程中變形速度超過弱化速度時，弱化來不及充分進行，而當切削溫度超過相變點Acs時，表面層組織將產生相變，如遇急速冷卻，則成為淬火組織，使加工硬化隨切削速度的增加而增加.

隨著每齒進給量從0.04 mm升高到0.12mm，表面硬化率略微增加，這是因為增加進給量會使切削力及塑性變形區范圍增大，會導致加工硬化程度的加大.

另外，由圖2c可以看出，在線速度和進給量保持不變的情況下，切深對硬化率的影響并不明顯.

圖2 切削參數對表面硬化率的影響曲線

3.2 硬化層深度曲線

通過斜切法測得表2中1～9組硬化層硬度分布曲線如圖3.由于斜切面上第1點處于分界線處，硬度值無法準確測得，所以第1點均從3 μm開始.從圖中可以看出，最大硬度值基本上都出現在加工表面附近，隨著距表面深度的增大，硬度值逐步下降.硬化層深度大體在18～36 μm的范圍內變化，說明使用無磨損的新刀片對TB6進行銑削加工時，硬化并不嚴重.

鈦合金加工硬化層深度較小，這與其切削加工時的自發淬火及材料的導熱性密切相關.通常高錳鋼、淬硬鋼等經過淬火組織會變成硬度較高的馬氏體組織，而鈦合金經過低溫淬火，所得馬氏體硬度不高，強化效果小，此外由于其導熱系數較低，熱量駐于近表層，所以得到的硬化層深度較小.

圖3 切削參數對表面硬化率的影響曲線

3.3 刀具后刀面磨損對加工硬化的影響

硬化層深度與后刀面磨損量之間的關系如圖4所示.從圖中可以看出，新刀加工出的樣件硬化層深度約為30 μm;當VB達到0.1 mm時，硬化層深度提高到45 μm左右;VB達到0.2 mm時，硬化層深度提高到55 μm左右;而當VB達到0.35 mm時，硬化層大幅增加至約130 μm.

圖4 后刀面磨損量對硬化層深度影響曲線

圖5為不同后刀面磨損量的刀具對硬化層深度的影響曲線.可見，刀具磨損對硬化層的變化影響比較明顯，隨著VB的增加，硬化層深度也在不斷增加.

隨著刀具磨損的增加，切削刃變鈍，使試件在被加工過程中受到擠壓的作用增大，在切削區被加工材料的變形也隨之增加，會增大硬化層深度;另外，刀具與切屑以及磨損后的刀具后刀面與已加工表面的摩擦也會增大，也會使切削熱增加，同樣會增大硬化影響層深度.刀具磨損初期，溫度增加比較平緩，到了后期則比較顯著［11］，所以刀具從無磨損到磨損量為0.1mm和0.2mm使硬化層增加比較緩慢，當磨損量達到0.3 mm時，硬化層會急劇增加.

從圖5中可以看出，VB=0時，加工表面下硬度隨著距表面距離的增加基本處于緩慢下降狀態;VBmax=0.1 mm時，在表面下10 μm處出現了一個波谷，硬度值為383Hv，隨后在30μm處又達到一個峰值，隨后再次緩慢下降到基體硬度后趨于穩定;VBmax=0.2 mm 時，在表面下20 μm 處出現波谷，硬度值為375 Hv，在40 μm處達到峰值，隨后緩慢下降;VBmax=0.3 mm 時，表面下20 μm處同樣出現硬度值為375 Hv的波谷，然后在68 μm處出現一個硬度值達到407 Hv的波峰，之后硬度值緩慢下降.

圖5 不同磨損量下硬化層分布曲線

由于在靠近表面的位置，晶粒的滑移、拉長與破碎更加劇烈，會引起試件在表面附近硬度偏大.另外，在切削過程中，切削熱會使鈦合金表層金屬出現軟化現象，由于鈦合金較差的導熱性，熱量就會在距表層較淺的深度處被保留一段時間，會使該深度處的硬度值下降.隨著刀具磨損量的增加，切削熱也隨之迅速增加，最終導致硬化深度曲線出現越來越明顯的波谷.

表面加工硬化一般可以防止裂紋產生并阻止已有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利;但表面硬化增加到一定程度時，表面塑性變形層在循環加載和高溫作用下會加速擴散進程，進而使金屬表面層軟化和損失其承載能力.所以工廠在實際加工過程中，需要嚴格控制刀具磨損，盡量避免使用后刀面磨損量超過0.2mm的刀具對鈦合金進行加工.

3.4 表層微觀組織

VB分別為0，0.1，0.2 和 0.35 mm 時表層組織的金相照片，如圖6所示.從金相照片中可以清晰看出，試件已加工表層晶粒發生了拉伸和滑移.而且當刀具磨損加劇時，試樣表層的鈦合金晶粒扭曲程度更加明顯，晶粒扭曲層深度也隨著加深.

圖6 不同磨損量下表層微觀組織

4 結論

通過對TB6鈦合金銑削參數對加工硬化影響的研究，可以得出如下結論:

1)TB6銑削端銑加工過程中，會產生加工硬化.刀具無磨損的情況下，硬化率基本保持在107%～112%范圍內，硬化層深度范圍為18～36μm，加工硬化并不嚴重.

2)銑削速度由30 m/min增加到90 m/min時，加工硬化程度會有較為明顯的降低現象，而繼續增加到150 m/min時，加工硬化程度再次增加;進給量由0.04 mm逐步升高到0.12 mm時，表面硬化程度會有略微提高，而切深量不同時，加工硬化程度的變化并不明顯.

3)刀具磨損對加工硬化的影響較為顯著，后刀面磨損量從0增加到0.2mm時，硬化層深度從30 μm 增加至55 μm，而后刀面磨損量為 0.35 mm時，硬化層深度達到了130 μm.

4)刀具經過一定磨損后，在表面下較淺位置會出現軟化區域，隨著磨損量增大，軟化區域更加明顯.

5)從金相照片可以看出，試件已加工表層晶粒發生了拉伸和滑移.并且刀具磨損加劇時，試樣表層的鈦合金晶粒扭曲程度更加明顯，晶粒扭曲層深度也隨著加深.

References)

［1］ Mantle A L，Aspinwall D K.Surface integrity and fatigue life of turned gamma titanium aluminide［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，72(3):413 －420

［2］ 楊振朝，張定華，姚倡鋒，等.高速銑削速度對 TC4鈦合金表面完整性影響機理［J］.南京航空航天大學學報，2009，41(5):644－648 Yang Zhenchao，Zhang Dinghua，Yao Changfeng，et al.Influence mechanism of milling speed on TC4 titanium alloy surface integrity in high-speed milling［J］.Journal of Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics，2009，41(5):644 －648(in Chinese)

［3］ 楊波.新型鈦合金切削加工表面完整性及切削參數優化研究［D］.南京:南京航空航天大學，2010:37－40 Yang Bo.Surface integrity and cutting parameters optimization in machining of new titanium alloys［D］.Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010:37 －40(in Chinese)［4］ Umbrello D，Pu Z，Caruso S，et al.The effects of cryogenic cooling on surface integrity in hard machining［J］.Procedia Engineering，2011，19:371 －376

［5］ Ginting A，Nouari M.Surface integrity of dry machined titanium alloys［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，49(3):325 －332

［6］ Field M，Kahles J F.Review of surface integrity of machined components［J］.Annals of the CIRP，1971，20(2):107 －108

［7］ 付浩.基于位錯理論的疲勞裂紋擴展特性研究［D］.長沙:長沙理工大學，2010:7－10 Fu Hao.Study on fatigue crack propagation based on dislocation theory［D］.Changsha:Changsha University of Science ＆ Technology，2010:7 －10(in Chinese)

［8］ 陳日耀.金屬切削原理［M］.北京:機械工業出版社，2002:150－152 Chen Riyao.Principles of metal cutting［M］.Beijing:China Machine Press，2002:150 －152(in Chinese)

［9］ 《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊，第四卷:鈦合金，銅合金［M］.北京:中國標準出版社，2001:255－259 Editorial Board of China Aeronautical Materials Handbook.China aeronautical materials handbook，volume fourth:copper alloy，titanium alloy［M］.Beijing:China Standard Press，2001:255 －259(in Chinese)

［10］ 韓德偉.金屬硬度檢測技術手冊［M］.長沙:中南大學出版社，2003:107－109 Han Dewei.Manual testing technique of metal hardness［M］.Changsha:Central South University，2003:107 － 109(in Chinese)

［11］ 羅漢兵.鈦合金高速銑削刀具失效及加工表面質量實驗研究［D］.山東:山東大學，2011:36－37 Luo Hanbing.Experimental investigation on tool failure and machined surface quality for high speed milling［D］.Shandong:Shandong University，2011:36 －37(in Chinese)