高速銑削TC21鈦合金的加工表面完整性分析

冀 翔

沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司

高速銑削TC21鈦合金的加工表面完整性分析

冀 翔

沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司

鈦合金總產量的約80%用于航空航天領域，主要用來制造機身的結構部件、航空發動機零部件、起落架、液壓系統等。鈦合金在加工中切削效率低、刀具磨損嚴重、尺寸精度和表面質量差。因此，在保證刀具耐用度和加工質量的前提下，發展高材料去除率的機械加工技術迫在眉睫。本文分析了銑削用量和刀具磨損對加工質量的影響，為鈦合金的加工工藝提供數據支持。

鈦合金加工；刀具磨損

表面完整性是指已加工表面的表面紋理和表面層冶金質量，又稱表面層質量。表面紋理主要包括表明粗糙度、表面波紋度、刀紋方向、宏觀裂紋、折皺和撕裂等；表面層冶金質量主要包括顯微結構變化、再結晶、晶間腐蝕、顯微裂紋、塑性變形、殘余應力、合金貧化等，表面層是指受加工影響而在零件表面下一定深度處產生的受擾材料層，表面層的深度通常僅為百分之幾毫米，只有在特殊的加工條件下深度可達0.3mm左右。

切削工藝會影響到最終成品零件的表面完整性，加工過程中的切削力和高溫環境的共同作用會導致零件微觀結構的改變，進而引起顯微硬度，晶界塑性變形，以及零件表面下的殘余應力的變化，這些最終會導致零件變形或降低其的疲勞壽命。鈦合金零件的表面完整性對其疲勞強度具有巨大的影響，表面的加工缺陷是疲勞裂紋導致零件失效的主要誘發源，在銑削加工中，這些缺陷主要有表面粗糙度、加工變質層等。

1.銑削用量和刀具磨損對表面粗糙度的影響

表面粗糙度是零件微觀幾何形狀誤差的表現，其大小主要影響零件的耐磨性、疲勞強度、抗腐蝕性、接觸剛度以及配合性質的穩定性等。在加工過程中，由于刀具與已加工表面的摩擦，切削擠壓的塑性變形，以及工藝系統的高頻振動等因素的相互作用，使已加工表面產生微觀幾何變形。本次試驗主要考察表面粗糙度受銑削用量和刀具磨損狀態的影響。

圖1.1a和圖1.1b為在銑削TC21時銑削速度對表面粗糙度的影響。在常規銑削時所用的其他銑削用量為：

fz=0.1mm/z，αe=2mm，αp=3mm；在高速銑削時所用的其他銑削用量為：fz=0.1mm/z，αe=1mm，αp=3mm。由圖可見，表面粗糙度值無論是在垂直于進給方向還是平行于進給方向，總體上都呈現隨銑削速度升高而略有減小的趨勢，即隨著切削速度的提高，表面粗糙度呈下降的趨勢。高速時的表面粗糙度比低速時的略小，但在試驗用速度范圍內的表面粗糙度都滿足切削加工的要求。

圖1.1c和圖1.1d為刀具磨損VB=0.27mm時銑削TC21的表面粗糙度隨銑削速度的變化曲線。試驗所用銑削用量同上。由圖可見，表面粗糙度隨銑削速度增加并沒有單調增加或減小的規律，與圖1.1a和圖1.1b相比，當刀具磨損發展到一定程度時，表面粗糙度值與采用新刀具加工所得的表面粗糙度值已經不在一個數量級上，顯然，刀具磨損對表面粗糙度的影響深遠。

2.銑削用量和刀具磨損對工件表面加工硬化的影響

加工硬化是指隨著冷變形程度的增加，金屬材料的強度和硬度都有所提高，但塑性和韌性有所下降。加工硬化發生時，晶粒發生滑移，出現位錯纏結，晶粒被拉長、破碎和纖維化，從而引起被加工表層材料脆而硬，進一步加速刀具磨損、增大切削力等，最終不利于切削加工的順利進行。

圖1.1 銑削速度對表面粗糙度的影響

圖2.1a和圖2.1b為在銑削TC21時銑削速度對工件表面加工硬化的影響。由圖可見，無論是常規銑削還是高速銑削，都沒有明顯的加工硬化層(白層)出現，銑削速度的提高不會對材料的加工硬化產生顯著的影響。通常認為，一方面切削速度提高引起的溫升有助于冷硬的回復；另一方面切削速度提高使刀具和工件的接觸時間變短，塑性變形程度減小，這兩負面的原因會導致工件材料硬度降低，然而，切削速度的提高會加劇刀具的磨損，惡化刀具與工件的擠壓與摩擦狀況，容易導致工件表面層材料硬化，綜合因素的影響下，隨銑削速度的提高對工件表面加工硬化的影響并不顯著。相反可見，在銑削速度為30m/min和50m/min時，工件表面的顯微硬度值要比工件材料基體的顯微硬度值略低，這一結論與之前一些研究學者的所得的結果一致，即切削加工不僅會導致工件材料的硬化，而且還會引起工件材料的軟化。

圖2.1 銑削速度對工件表面加工硬化的影響

圖2 .1c和圖2.1d為不同的刀具磨損狀態(VB≈0.3mm)采用與圖1.1c和圖1.1d相同銑削速度時的工件表面加工硬化隨銑削速度的變化曲線。與圖1.1c和圖1.1d相比，當刀具磨損到一定程度時，工件表面的顯微硬度值總體上略有升高，但都在基體材料顯微硬度值范圍內。

在試驗中采用三種硬質合金刀片，分別為：①無鍍層硬質合金ISO標準的K10；②無鍍層細晶粒硬質合金ISO標準的K40；③鍍層硬質合金ISO標準的N15。這三種刀片具有相同的幾何參數。當VB＜0.1mm時，三種刀具材料所得的銑削力沒有太大區別。當VB＞0.1mm時，采用K40和N15的銑削力要比使用K10高出很多，顯然，細化刀具材料的晶粒和使用涂層并不利于降低銑削力銑削力。當后刀面平均磨損量達到0.25mm時，采用K10銑削TC21，銑削力為2200N，而采用K40和N15銑削時，銑削力分別為3300N和2700N，從銑削力的試驗結果來看，刀片K10更適用于銑削TC21。

結論

通過試驗研究了銑削用量、刀具磨損和刀具材料對銑削力的影響，隨著銑削用量的增加銑削力呈現不同程度的增加。進一步了解到刀具磨損對銑削力的影響也比較顯著。最后分析了幾種不同牌號刀具的刀具耐用度和刀具磨損狀態，相較于N15和K40而言，K10更適合銑削加工TC21鈦合金且具有經濟性。

[1]黃旭，朱知壽，王紅紅.先進航空鈦合金材料與應用.北京：國防工業出版社，2012.