Ti-6A1-4V微銑削表面完整性研究

許金凱，劉靜靜，于占江，李一全

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

微銑削是指用微型銑刀對微小零部件進行精密銑削的加工技術，微型銑刀的直徑通常小于等于1mm[1]。大量的實踐經驗表明，微銑削與傳統銑削在系統的剛度、切削條件、切削用量等方面差異都很大。只有通過有效的方式選擇適合的加工條件和切削參數，銑削表面的加工精度和表面質量[2-3]才得以保證。Ti-6A1-4V具有熱強度大、比強度高、抗腐蝕能力強、低溫性能好以及化學活性大等物理特點，在航空工業、醫療器械以及其他高科技產品制造中發揮重要作用。Ti-6A1-4V屬于典型難加工材料，加工過程中存在切削力大以及刀具易磨損等問題[4-5]，這些因素會對表面質量造成不同程度的不良影響，嚴重影響零件的使用性能。因此研究各個變量的不同切削參數對Ti-6A1-4V加工后表面完整性的影響效果是十分必要的[6-8]。其中加工后工件表面粗糙度和表面形貌、表面殘余應力的分布以及加工硬化是評價微銑削表面完整性的三個主要研究內容。表面完整性相對于表面質量而言更側重于微觀表面質量，而且表面完整性所包含的內容比傳統的表面質量更加全面、具體[9]。

1 試驗設備與試驗方案

此次試驗選用正交試驗與單因素試驗結合的方法研究各微銑削參數對表面粗糙度、殘余應力分布和加工硬化影響的變化趨勢來綜合評價工件表面微銑削加工的表面完整性。試驗選用了切削刃直徑為1mm的硬質合金四刃立銑刀在Ti-6A1-4V表面進行全徑向銑削微溝槽的正交試驗和單方向加工微平面的單因素試驗。試驗首先選用正交試驗的方法來說明各因素的影響效果，綜合評價多種變量對于表面粗糙度以及殘余應力影響的主次順序，通過極差分析得出試驗過程中的最優參數組合，更具有實際意義[10，11]。利用EVO MA25 掃描電子顯微鏡觀察槽底及毛刺的微觀形貌，利用LD120輪廓與粗糙度測量系統進行表面粗糙度的測量，利用X射線殘余應力分析儀測量加工后表面的殘余應力，最后利用納米硬度壓痕儀測量微銑削表面的顯微硬度值。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

本次試驗采用三因素四水平正交試驗分析即L16（43），三個因素分別為主軸轉速n、進給速度vf以及切削深度ap，研究這些參數對表面粗糙度以及殘余應力的影響規律，各因素的參數值設定如表1所示。

表1 因素水平表

圖1為Ti-6A1-4V在兩組不同參數值下加工的微溝槽形貌，通過觀察各組參數下微溝槽形貌，可以看出影響毛刺尺寸的主要因素為主軸轉速和切削深度，當銑削深度較小時，材料的去除量較小，由于Ti-6A1-4V塑性韌性良好的材料特性，在微銑削的過程中易產生細長的切屑不易斷裂而形成毛刺粘結在工件表面。當銑削深度較大時，材料去除量變大切屑厚度以及尺寸都相應增大。另外較高的主軸轉速有利于切屑的斷裂從而使溝槽邊緣質量變好，在實際生產中也有利于后一道的加工效果。

圖2是這次微溝槽銑削正交試驗槽底主要存在的兩種表面缺陷，分別是切削深度較小時產生的細小碎屑粘結表面和進給量較大時微銑刀產生的明顯刀痕，這兩種情況是造成表面粗糙度增大的主要原因，從而影響槽底的表面質量。

圖1 兩組加工參數下的毛刺形貌對比

圖2 兩種主要存在的表面缺陷

結合因素水平表和正交試驗方法對Ti-6A1-4V微溝槽銑削進行了初步分析，分別對每一個溝槽進行粗糙度與殘余應力測量，為保證數據的準確性，每組試驗的粗糙度和殘余應力的測量均重復進行三次以上，舍棄離群值得出平均值。試驗得出的極差分析結果如表2所示。

表2 正交試驗方案與極差分析結果

通過極差分析可以看出，各銑削參數對表面粗糙度的影響從大到小依次為：進給速度vf、主軸轉速n、切削深度ap；各因素水平的最優組合為A4B1C2，即當n=10000r/min，vf=30mm/min，ap=20μm時，溝槽底部的表面粗糙度值可達到最小。全部銑削試驗在工件表面產生的殘余應力均為殘余壓應力，殘余應力的合理分布對工件的疲勞強度有顯著影響，但實踐證明，殘余應力無論如何分布，對某些力學性能總是有著不利的影響[12]。所以在評定各組試驗的殘余應力值時，認為殘余應力的絕對值趨于最小為最優。各參數產生影響的主次順序從大到小依次為：進給速度vf、切削深度ap、主軸轉速n；各因素水平的最優組合為A4B2C2，即當n=10000r/min，vf=60mm/min，ap=20μm時，溝槽底部的殘余應力值最佳。可以看出對于表面粗糙度和表面殘余應力的最優參數主軸轉速和切削深度的值是一致的，只有進給速度存在微小差異。

2.2 單因素試驗結果分析

為更進一步研究微銑削在實際加工應用中各因素對表面質量的影響效果，選用了切削刃直徑為1mm的硬質合金四刃立銑刀在鈦合金工件表面加工了三組微平面，平面的尺寸為10mm×10mm。采取的加工軌跡是單方向的行進軌跡，每次的縱向進給率為70%。試驗方法為單因素試驗法，單因素試驗可以直觀的觀察某一因素對表面質量的影響趨勢和規律，但也存在一定弊端，不能綜合評定各參數對試驗結果的影響，并且試驗量較大。如表3所示。

表3 單因素試驗參數表

如圖3-圖5所示分別為不同轉速、不同進給速度以及不同切削深度下接刀區域的粗糙度值變化。從折線圖3可以看出，當進給速度和切削深度一定時，隨著主軸轉速的增大接刀區域的粗糙度值先減小后增大，這是因為隨著主軸轉速的提高被去除材料與刀具前刀面摩擦減小，并且產生的一部分切削熱被切屑帶走從而提高了加工的表面質量。主軸轉速繼續增高當n＞8000r/min時，單位時間會產生更多的切削熱，從而使被切除材料更容易產生塑性變形甚至粘附在刀具的切削刃上，并且主軸也會產生一定的震顫，銑削表面的表面質量又會變差。當主軸轉速和切削深度一定時，從圖4中可以看出隨著進給速度的增大粗糙度值逐漸增大，這是因為增大進給量會迅速提高切削溫度、加劇刀具磨損，即直接影響到被加工表面的表面質量。因此在實際銑削過程中增大進給量的同時要盡可能的減小切削深度并且選取適當的主軸轉速，目的是在保證加工表面質量的同時延長刀具壽命。如圖5所示，當主軸轉速和進給速度一定時，粗糙度值隨著切削深度的增加而增大，尤其是當切削深度從35μm增大到40μm時粗糙度值明顯增大。這是因為進給速度增大時，雖然加工效率有一定的提高，但是增大了殘留在工件上毛刺的高度，增大了接下來一刀加工的阻力，造成了表面粗糙度的增大。這說明切削深度大于35μm會導致粗糙度值急劇增大，因此在實際銑削加工中應盡量避免選擇35μm以上的切削深度。

圖3 不同主軸轉速下的粗糙度值

圖4 不同進給速度下的粗糙度值

圖5 不同切削深度下的粗糙度值

經過微銑削加工后工件的表面層硬度會不同程度的增大，這就是加工硬化現象。由于材料本身的特性，Ti-6A1-4V在銑削過程中存在加工硬化嚴重的現象從而影響加工后表面的機械性能。采用的試驗設備是納米硬度壓痕儀，施加力大小為30mN，保載時間為10s。在每個加工平面上選取六個點進行硬度壓痕測試，計算平均值作為每個平面的顯微硬度值。圖6、圖7為壓頭壓入表面形成壓痕的微觀形貌以及所測量得出的各組壓痕硬度值的變化趨勢。

圖6 壓入點微觀形貌

圖7 不同加工參數下的壓痕硬度值變化趨勢

圖6中點1、2、3均為試驗點，三點中央點為最先壓入的點，作用是調整壓頭深度偏移且沒有數值輸出。首先測得Ti-6A1-4V材料本身的壓痕硬度為3280Mpa，從圖7中可以看出，隨著切削深度的提高壓痕硬度值逐漸增大，這是因為當切削深度大于刀具刃圓半徑時，其數值越大刀具對被加工表面擠壓越嚴重產生的塑性變形就越大，從而使表面應力增大即硬化程度變大。當進給速度不斷增大時壓痕硬度先減小后增大，這是因為進給速度較小時刀具與工件之間存在更多的擠壓和研磨，使加工硬化變大；當進給速度過大時會導致加工表面塑性變形增大，并且伴隨著加工硬化的增大粗糙度值也在增大，使表面質量變差。隨著主軸轉速的提高壓痕硬度值同樣是先減小后增大，當主軸轉速適當增大時，刀具與工件間的摩擦減小從而使加工硬化程度減小，主軸轉速繼續增大工件表面材料變形速度變大產生的切削熱增多使加工表面溫度升高加工硬化變大。

圖8 不同主軸轉速下的殘余應力值

圖9 不同進給速度下的殘余應力值

圖10 不同切削深度下的殘余應力值

微銑削平面表面殘余應力值隨各因素變化趨勢如圖8-圖10所示，從圖中可以看出，所有試驗參數下加工后表面的殘余應力均為殘余壓應力。在參數選擇范圍內，殘余應力值隨切削深度和進給速度的增加有增大的趨勢，主軸轉速對于表面殘余應力沒有明顯影響。

3 結論

本次試驗主要以微銑削加工后的表面完整性為研究對象，主要研究內容是對Ti-6A1-4V微銑削表面的微觀形貌、粗糙度值、殘余應力以及加工硬化進行了檢測和分析。通過正交試驗的方法研究了各試驗參數對于表面粗糙度值以及殘余應力值的影響，通過極差分析得出了最優參數組合，通過單因素試驗得出了各因素對表面粗糙度、殘余應力以及加工硬化的直觀影響。

Ti-6A1-4V微銑削試驗中，在高轉速、中低進給速度以及中等切深條件下，微銑削表面粗糙度值和殘余應力值可以達到比較理想的狀態；對于加工后表面粗糙度和表面殘余應力的最優參數組合分別為n=10000r/min，vf=30mm/min，ap=20μm、n=10000r/min，vf=60mm/min，ap=20μm。

微銑削Ti-6A1-4V后表面層的顯微硬度值隨切削深度增大而增大，在中等進給速度和主軸轉速下的值較小。因此選擇較低的切削深度以及中等的進給速度和主軸轉速可以有效的降低加工硬化現象。