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(fā)動機(集團)有限責(zé)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(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司

鈦合金總產(chǎn)量的約80%用于航空航天領(lǐng)域，主要用來制造機身的結(jié)構(gòu)部件、航空發(fā)動機零部件、起落架、液壓系統(tǒng)等。鈦合金在加工中切削效率低、刀具磨損嚴(yán)重、尺寸精度和表面質(zhì)量差。因此，在保證刀具耐用度和加工質(zhì)量的前提下，發(fā)展高材料去除率的機械加工技術(shù)迫在眉睫。本文分析了銑削用量和刀具磨損對加工質(zhì)量的影響，為鈦合金的加工工藝提供數(shù)據(jù)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(zhì)量，又稱表面層質(zhì)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(zhì)量主要包括顯微結(jié)構(gòu)變化、再結(jié)晶、晶間腐蝕、顯微裂紋、塑性變形、殘余應(yīng)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(chǎn)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(huán)境的共同作用會導(dǎo)致零件微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)力的變化，這些最終會導(dǎo)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(dǎo)致零件失效的主要誘發(fā)源，在銑削加工中，這些缺陷主要有表面粗糙度、加工變質(zhì)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(xiàn)，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(zhì)的穩(wěn)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(tǒng)的高頻振動等因素的相互作用，使已加工表面產(chǎn)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(tài)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(guī)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(xiàn)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(nèi)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(diào)增加或減小的規(guī)律，與圖1.1a和圖1.1b相比，當(dāng)?shù)毒吣p發(fā)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(jīng)不在一個數(shù)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(fā)生時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯纏結(jié)，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(guī)銑削還是高速銑削，都沒有明顯的加工硬化層(白層)出現(xiàn)，銑削速度的提高不會對材料的加工硬化產(chǎn)生顯著的影響。通常認(rèn)為，一方面切削速度提高引起的溫升有助于冷硬的回復(fù)；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(fù)面的原因會導(dǎo)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(dǎo)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(jié)論與之前一些研究學(xué)者的所得的結(jié)果一致，即切削加工不僅會導(dǎo)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(tài)(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(dāng)?shù)毒吣p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(nèi)。

在試驗中采用三種硬質(zhì)合金刀片，分別為：①無鍍層硬質(zhì)合金ISO標(biāo)準(zhǔn)的K10；②無鍍層細晶粒硬質(zhì)合金ISO標(biāo)準(zhǔn)的K40；③鍍層硬質(zhì)合金ISO標(biāo)準(zhǔn)的N15。這三種刀片具有相同的幾何參數(shù)。當(dāng)VB＜0.1mm時，三種刀具材料所得的銑削力沒有太大區(qū)別。當(dāng)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(dāng)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(jié)果來看，刀片K10更適用于銑削TC21。

結(jié)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(xiàn)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(tài)，相較于N15和K40而言，K10更適合銑削加工TC21鈦合金且具有經(jīng)濟性。

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