TC4-DT鈦合金鉆削表面完整性研究

項國輝，歐陽金棟，劉慧慧，王艷麗

（1.空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌,330024）

0 引言

損傷容限型TC4-DT鈦合金在保持高強(qiáng)度前提下有效的提升了斷裂韌性與裂紋擴(kuò)展速率等損傷評價指標(biāo)，已成為航空飛行器重要的損傷容限結(jié)構(gòu)材料[1-3]。表面完整性是影響損傷容限的重要因素之一，其包含了表面形貌特征及表面層特征兩個方面，其中粗糙度、波紋、殘余應(yīng)力、裂紋、晶間腐蝕等均是表面完整性評價的重要指標(biāo)[4]。金屬切削加工過程中，在刀具作用下導(dǎo)致材料切削表面的應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度等產(chǎn)生了復(fù)雜的變化，直接影響了材料表面的殘余應(yīng)力分布以及粗糙度等表面完整性指標(biāo)[5]。

Parida通過試驗及有限元分析研究了TC4鈦合金鉆削中切削速度及進(jìn)給量對刀具受力、應(yīng)力、應(yīng)變及溫度的影響[6]。Shetty等試驗研究了不同鉆削速度、進(jìn)給量以及不同鉆頭頂尖角對于TC4鈦合金鉆削后表面粗糙度及切屑厚度的影響規(guī)律[7]。劉超杰進(jìn)行了鈦基復(fù)合材料高速磨削加工磨削力仿真分析，驗證了模型的準(zhǔn)確性[8]。Chatterjee等通過模擬及試驗方法獲取了不同鉆削參數(shù)對TC4鈦合金鉆削的切削力及鉆孔圓度，并建立了經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測相關(guān)鉆削結(jié)果，通過和聲搜索算法進(jìn)行鉆削工藝參數(shù)優(yōu)化[9]。陳杰及廖科偉等分別通過試驗及模擬研究了TC4鈦合金深孔鉆削過程中切削速度、進(jìn)給量等工藝參數(shù)對于刀具受力、鉆孔圓度、表面粗糙度等的影響規(guī)律，并獲得了優(yōu)化的鉆削參數(shù)[10-11]。王明海等對TC4鈦合金切削表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了模擬研究，分析了刀具刃口及材料變形對切削表面殘余應(yīng)力及表面質(zhì)量的影響[5]。楊成云等建立了TC4鈦合金銑削有限元模型，研究了切削速度、切削深度等對表面殘余應(yīng)力的影響，通過回歸模型及遺傳算法進(jìn)行了切削參數(shù)優(yōu)化[12]。

目前針對損傷容限型TC4-DT鈦合金鉆削工藝研究較少，對于TC4-DT鈦合金鉆削工藝參數(shù)對表面完整性的影響規(guī)律尚不明確。本文以TC4-DT鈦合金試驗材料，采用不同材質(zhì)、直徑的麻花鉆頭進(jìn)行鉆削試驗，對不同鉆削速度下成孔后周邊殘余應(yīng)力以及成孔表面粗糙度進(jìn)行試驗分析，研究TC4-DT鈦合金麻花鉆鉆削工藝對表面完整性影響規(guī)律，建立有限元仿真模型預(yù)測鉆削后的殘余應(yīng)力分布，為優(yōu)化鉆削工藝參數(shù)、提高鉆削質(zhì)量提供依據(jù)。

1 鉆削試驗研究

1.1 試驗方案

本研究中采用退火態(tài)TC4-DT鈦合金，其化學(xué)成分如表1所示。

試驗所采用的鉆削試樣規(guī)格為60×50×10mm。鉆削試驗采用Z5140B方柱立式鉆床。鉆削試樣及其定位裝夾如圖1所示。

表1 TC4-DT鈦合金化學(xué)成分

圖1 TC4-DT鈦合金鉆削試樣及其定位裝夾

鉆削試驗中分別采用硬質(zhì)合金YG6X及HSS高速鋼鉆頭對TC4-DT試樣進(jìn)行鉆削模擬研究，進(jìn)給量為0.056 mm/r，試驗方案如表2所示。

表2 鉆削試驗方案

采用YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀、BSF120-1.5CA-T型應(yīng)變花及臺式鉆床(見圖2），應(yīng)用小孔法對TC4-DT鈦合金不同鉆削工藝參數(shù)的試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，小孔直徑為2a，鉆孔深度為1.8mm，相應(yīng)殘余應(yīng)力計算公式為：

每個試樣上測試三個點(diǎn)，分別在距離鉆孔邊緣5mm、8mm、13mm進(jìn)行測試，為了準(zhǔn)確的得到測點(diǎn)殘余應(yīng)力，采用三次重復(fù)試驗取平均值。

圖2 小孔法測殘余應(yīng)力

采用Mahr Perthometer M1便攜式粗糙度測量儀進(jìn)行內(nèi)孔表面粗糙度測量（見圖3）。

圖3 TC4-DT鉆孔表面粗糙度測量

1.2 試驗結(jié)果與分析

圖4為不同鉆削條件下孔周圍殘余應(yīng)力沿孔徑向的分布情況結(jié)果。不同條件鉆削后孔周圍的平面殘余應(yīng)力σ1、σ2沿著孔的徑向分布為先減小后增大；隨著鉆削工藝線速度的增大，鉆后孔周圍的平面殘余應(yīng)力σ1、σ2均呈減小的趨勢；隨著鉆頭直徑的增加，鉆削后孔周邊的殘余應(yīng)力呈下降趨勢；硬質(zhì)合金刀具鉆削后孔周圍的殘余應(yīng)力相比高速鋼刀具鉆削后的殘余應(yīng)力更大。

由圖5不同鉆削條件下孔內(nèi)表面粗糙度測量結(jié)果可知：采用高速鋼鉆頭、鉆削速度為11m/min及31m/min和采用硬質(zhì)合金鉆頭、鉆削速度為11m/min及31m/min，鉆得直徑為φ15mm的孔的粗糙度最小分別為 Ra=0.75 μm、Ra=0.63 μm 和 Ra=0.67 μm、Ra=0.88 μm；采用高速鋼鉆頭、鉆削速度為22m/min和采用硬質(zhì)合金鉆頭、鉆削速度為22m/min，鉆得直徑為φ18mm的孔的粗糙度最小分別為Ra=0.71 μm和 Ra=0.63 μm。

圖4 不同鉆削條件下孔周圍殘余應(yīng)力沿孔徑向的分布情況

圖5 不同鉆削條件下孔內(nèi)表面粗糙度

分別采用高速鋼和硬質(zhì)合金鉆頭對TC4-DT鈦合金鉆φ10mm的孔時，鉆削速度分別為31m/min時，測得的粗糙度最小分別為Ra=0.73 μm和Ra=0.76 μm；由圖可知分別采用高速鋼和硬質(zhì)合金鉆頭對TC4-DT鈦合金鉆φ15mm的孔時，鉆削速度分別為31m/min和 11m/min時，測得的粗糙度最小分別為Ra=0.63 μm和Ra=0.67 μm；由圖可知分別采用高速鋼和硬質(zhì)合金鉆頭對TC4-DT鈦合金鉆φ18mm的孔時，鉆削速度為22m/min時，測得的粗糙度最小分別為 Ra=0.71 μm 和 Ra=0.63μm。

2 鉆削有限元模擬仿真

2.1 有限元模型構(gòu)建

利用有限元軟件Abaqus，以Johnson-Cook模型為材料本構(gòu)模型建立鈦合金TC4-DTYG6X硬質(zhì)合金鉆頭鉆削加工有限元模型。利用該鉆削模型模擬鉆削參數(shù)（鉆削速度、鉆孔直徑）變化對工件殘余應(yīng)力分布的影響。Johnson-Cook模型為：

Johnson-Cook模型各參數(shù)如表3所示。

模型中刀具使用的是YG6X硬質(zhì)合金鉆頭，其主要成分是93.5%的WC和6%的Co，密度14.6～15.0kg/m3。刀具材料數(shù)據(jù)如表4所示。

如圖6所示，模型中鉆頭直徑分別為10mm、15mm、18mm。工件為長60mm，寬50mm，厚底為8mm。在這里給刀具施加Z方向的進(jìn)給量，以及繞z軸順時針的旋轉(zhuǎn)速度，對工件的四周兩側(cè)約束六個方向的自由度，對刀具和工件施加面接觸。

表3 TC4-DT Johnson-Cook模型材料參數(shù)

表4 刀具材料參數(shù)

圖6 銑削加工有限元模型（鉆頭直徑10mm）

2.2 仿真結(jié)果與分析

不同切削速度、不同直徑鉆削加工時被加工材料的殘余應(yīng)力分布有限元模擬結(jié)果如圖7所示。

表5列出了TC4-DT鈦合金鉆削加工后，零件表面釋放殘余應(yīng)力實(shí)驗值與模擬值的對比，從表中可以看到，實(shí)驗值與模擬值數(shù)據(jù)的相對誤差基本控制在30%內(nèi)，絕對誤差大部分控制在20MPa以下。有少數(shù)測點(diǎn)的相對誤差達(dá)到50%以上，其中，Φ10mm 31.0m/min切削速度下甚至達(dá)到98.9%，模擬結(jié)果誤差最大。

圖7 不同切削速度、不同直徑鉆削加工時被加工材料的殘余應(yīng)力分布有限元模擬結(jié)果

圖8 Φ10mm鉆削試驗與模擬結(jié)果

圖8為Φ10mm孔鉆削試驗與模擬結(jié)果對比曲線，22.0m/min切削速度下，與距離的孔緣距離為8mm的模擬結(jié)果與試驗值相差較大，其余試驗值與模擬值接近，且試驗值的變化趨勢和模擬值的變化趨勢基本一致。

3 結(jié)論

通過鉆削過程表面殘余應(yīng)力及粗糙度試驗研究及模擬仿真結(jié)果，得出以下結(jié)論：

鉆削后孔周圍的平面殘余應(yīng)力沿著孔的徑向分布先減小后增大；隨著鉆削工藝線速度的增大，鉆后孔周圍的平面殘余應(yīng)力減小；硬質(zhì)合金刀具比高速鋼刀具鉆削后孔周圍殘余應(yīng)力大；隨著鉆頭直徑的增加，鉆削后孔周邊的殘余應(yīng)力下降。

表5 TC4-DT鈦合金鉆削加工后零件表面釋放殘余應(yīng)力模擬誤差

硬質(zhì)合金與高速鋼材料鉆頭均在低切削速度下，鉆削Φ18mm孔的粗糙度相對較大，在高切削速度下，鉆削Φ10mm孔的粗糙度相對較大；相同鉆削條件下，高速鋼鉆頭比硬質(zhì)合金鉆頭鉆削孔表面粗糙度大；相同鉆削條件下，孔徑與鉆削速度對孔表面粗糙度影響不明顯。