微銑削Ti-48Al-2Cr-2Nb合金實驗研究

馬軒，王志勇，2，董昊，馬鑫鑫，杜金金

(1.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004；2.河北省重型智能制造裝備技術創新中心，河北秦皇島 066004)

0 前言

Ti-48Al-2Cr-2Nb是一種新型優質的γ-TiAl基合金，以其良好的高溫力學性能和較低的密度特性在精密微小件制造領域擁有廣泛的應用前景[1-2]。近些年來，國內外專家對γ-TiAl基合金的材料制備及復合機制、力學性能以及常規切削等方面進行了相關研究[3-4]，但由于該材料存在室溫脆性大、導熱性能差、切削性能較為特殊的特性，目前對γ-TiAl基合金的切削研究仍處于探索階段。CHENG等[5]采用硬質合金刀具進行車削γ-TiAl基合金試驗，對刀具磨損進行了研究，得出了最佳切削參數用于提高刀具使用壽命。周麗等人[6]采用有限元與試驗相結合的方法對γ-TiAl基合金進行銑削表面質量研究，得出切削速度對表面粗糙度和邊緣斷口尺寸影響較小。FERNNDEZ等[7]在低溫環境下采用相同切削參數對γ-TiAl基合金和GH4169合金的銑削加工性能進行了試驗研究，得出低溫環境下γ-TiAl基合金的加工性能明顯改善。以上對該材料的切削研究僅限于刀具磨損、表面完整性和切削溫度等常規切削方面的工作[8]，對于微銑削領域還有諸多問題亟需解決。

微銑削是指對微小尺寸零件的切削加工，采用的刀具直徑在1 mm以下，工件加工特征尺寸處于0.01～1 mm之間的微尺度切削技術。目前國內外的研究機構對單晶硅、鋁、金屬玻璃以及PMMA等材料的微尺度切削展開了研究[9-11]，但對γ-TiAl基合金的微銑削方向尚無學者進行相關報道。受微銑削尺寸效應影響，γ-TiAl基合金的微尺度切削性能不同于宏觀切削下的加工特征規律。

在微加工過程中，工件的加工質量相對其微小的尺寸不容忽視，評定零部件加工質量的重要參數就是表面粗糙度和邊緣毛刺。本文作者以γ-TiAl基合金Ti-48Al-2Cr-2Nb為研究對象，采用正交試驗法進行微槽銑削試驗，分析主軸轉速、進給速度、銑削深度和銑刀螺旋角對頂端毛刺和槽底表面粗糙度的影響規律，給出該材料微銑削加工切削參數選取原則，為γ-TiAl基合金在微銑削領域應用提供實踐支持與理論參考。

1 實驗條件與方案

1.1 實驗設備與檢測儀器

文中切削設備采用Nano Wave公司生產的三軸精密數控微銑床MTS5R型，如圖1所示。

圖1 MTS5R型精密數控微銑床Fig.1 MTS5R precision CNC micro-milling machine

該機床主軸為80 000 r/min的高速電主軸；三軸行程分別為50、50、30 mm，最高進給速度為3 000 mm/min；定位精度為0.5 μm。檢測儀器采用激光共聚焦顯微鏡(OLS3100)和Form Talysurf(i60)型粗糙度輪廓儀分別對微槽頂部毛刺和槽底表面粗糙度進行觀測。

1.2 工件材料與切削刀具

工件材料為Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，屬于新型的γ-TiAl基合金，其材料元素成分如表1所示。切削刀具選用日進工具、型號為MXH系列的0.8 mm雙刃平底硬質合金微立銑刀，涂層材料為TiAlN，加工方式為平面槽銑。

表1 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金化學成分質量分數[12] 單位：%Tab.1 Mass fraction of chemical composition of Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy[12] Unit：%

1.3 試驗方案

在微槽銑削實驗中，為減少試驗次數和深入研究各個切削參數對微銑加工γ-TiAl基合金工件加工質量的影響，綜合考慮加工設備、試驗條件以及微銑刀具的參數和材料屬性，設計了四因素五水平正交試驗，方案如表2所示。其中主軸轉速n取5×103、15×103、25×103、35×103、45×103r/min；進給速度vf取1.5、3、4.5、6、7.5 mm/min；銑削深度ap取10、15、20、25、30 μm；螺旋角β取25°、30°、35°、40°、45°。

表2 微銑削正交試驗方案及結果Tab.2 Micro-milling orthogonal test scheme and results

2 微槽銑削加工質量分析

2.1 試驗結果

根據表2參數，對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金進行微槽銑削實驗，通過激光共聚焦顯微鏡對頂端兩側毛刺進行無接觸式觀測，運用共聚焦層掃描樣本中的二維圖像，經計算機處理得到圖2所示的工件加工形貌特征；采用粗糙度輪廓儀對槽底粗糙度Ra取值。為準確測量頂端兩側毛刺和槽底表面粗糙度數據，選取的測量位置如圖2中標記處所示，在切削穩定階段，分別在同一參數下多個切削位置至少測量3次，取均值作為最終試驗數據，得出正交試驗結果如表2所示。

由表2可知：該新型材料在微槽銑削時其槽底Ra最小值僅為0.026 6 μm，最大值僅為0.075 1 μm，表現出良好的表面加工特性。并采用極差分析法對表2中所測的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金頂端兩側毛刺和槽底表面粗糙度數據進行分析并處理，得出對微槽頂端兩側毛刺影響因素主次為：銑削深度(主軸轉速)>進給速度>刀具螺旋角；對槽底表面粗糙度影響因素主次為：刀具螺旋角>銑削深度>主軸轉速>進給速度。該結果與宏觀銑削時各因素對工件加工質量的影響規律不同[13]，進一步說明了在微銑削領域研究γ-TiAl基合金的必要性。

2.2 切削參數對微槽頂部兩側毛刺的影響規律

根據極差數據繪制各切削參數與微槽頂端兩側毛刺的影響規律曲線，如圖3所示。

圖3 切削參數與微槽頂部毛刺長度的關系曲線Fig.3 The relationship between cutting parameters and burr length at the top of microgrooves：(a)spindle speed n；(b)feed speed vf；(c)milling depth ap； (d)helix angle β

由圖3(a)可看出：當主軸轉速上升時，微槽頂部順銑側毛刺尺寸逐漸增大，逆銑側毛刺尺寸不斷減小。這是因為隨著主軸轉速增加，順銑時切削由工件最大厚度進刀，材料受到沖擊較大，且γ-TiAl基合金中Al元素含量較高，導致每齒切削末產生的切屑較黏，易在刀具擠壓摩擦作用下被推擠至工件頂端形成更大尺寸毛刺；逆銑側切削方式為工件逐漸吃刀，生成的切屑一致性較好，且主軸轉速提升使得工件材料的變形速度加快，刀具與工件的接觸時間縮短，致使切削層金屬的變形量降低，因此形成較少的切屑殘留在工件頂端形成小尺寸毛刺。

由圖3(b)可以看出：當進給速度增大時，順銑側毛刺尺寸呈增長趨勢，逆銑側毛刺尺寸呈下降趨勢。這是由于隨著進給速度增加，順銑初始階段每齒切除材料增多，材料塑性變形加劇，更多切屑殘留在工件頂部形成尺寸較大的毛刺；因γ-TiAl基合金熱導率低，切削速度過快導致剪切帶溫度升高，材料表面逐漸軟化，且逆銑時切削厚度由零逐漸增加，所生成切屑的一致性較好不易附著在工件頂部，因此形成更小尺寸的毛刺。

由圖3(c)可以看出：順逆銑兩側毛刺尺寸均隨銑削深度的增加而增大。這是因為當銑削深度增加時，相同切削速度下需去除的材料增多，由此產生的切屑體積增大，因γ-TiAl基合金具有室溫脆性大的特點，在大切削用量下易引起工件材料的脆性斷裂，導致較多切屑殘留在工件頂部形成更大尺寸的毛刺。

由圖3(d)可以看出：當刀具螺旋角增大時，順逆銑兩側毛刺尺寸整體上呈增長趨勢。這是因為當材料被切除時，切屑沿著刀具前刀面向上排出，隨著螺旋角增大，軸向力和切削振動增加，此時刀具易將切屑提升至工件表面，由于該材料生成的切屑較黏，因此較多切屑殘留在工件頂部形成大尺寸毛刺。總體而言，相比于主軸轉速、進給速度和銑削深度3個因素，刀具螺旋角對微銑削頂部毛刺尺寸的影響最小。

綜上，應使用較小的刀具螺旋角25°、較大的進給速度6 mm/min和主軸轉速45 000 r/min以及較小的銑削深度10 μm，并選擇逆銑加工方式，可有效降低微銑加工中工件頂部毛刺尺寸。

2.3 切削參數對微槽底表面粗糙度的影響規律

根據極差數據繪制各切削參數與微槽底表面粗糙度的影響規律曲線，如圖4所示。

圖4 切削參數與微槽底表面粗糙度Ra值的關系曲線Fig.4 The relationship curves between cutting parameters and surface roughness Ra value of microgroove bottom：(a) spindle speed n；(b)feed speed vf；(c)milling depth ap；(d)helix angle β

由圖4(a)可看出：隨著主軸轉速增大，表面粗糙度Ra逐漸減小。這是因為γ-TiAl基合金的導熱系數低，在高速銑削過程中切削溫度上升，材料表面不斷軟化，此時工件底部與微銑刀底刃的前刀面摩擦作用降低，切削過程逐漸趨于平穩，因此槽底表面質量進一步提高。

圖4(b)中，當進給速度增大時，Ra值呈現較緩慢增長趨勢，且影響并不顯著。由于在微銑削過程中，Ra值與微銑刀刀刃劃過的凹痕深淺有關，當前一刀刃從工件表面高速劃過后，γ-TiAl基合金未來得及產生塑性變形又被第二刃劃過，由此往復切削，易在槽底表面產生刀痕和殘留高度。隨著進給速度增大，槽底殘留高度逐漸增加，導致Ra呈緩慢上升趨勢，這與宏觀切削理論一致，證實了進給速度對工件表面完整性的影響較低。

圖4(c)中，Ra隨銑削深度的增加呈現整體上升趨勢。這是因為當銑削深度增加時，材料去除率增大，由于γ-TiAl基合金本身具有的高強度特性，在切削時產生的摩擦力和切削阻力不斷增加，致使材料表面變形加劇，切削系統穩定性下降，導致微槽底表面質量逐漸變差。

圖4(d)中，隨刀具螺旋角增大，Ra值呈明顯增長趨勢。這是由于刀具螺旋角增大時，微銑刀底刃的切削前角增大，后角則減小，使得表面殘留高度增大，同時也增加了銑刀端刃與工件切削表面的接觸面積，致使底刃的后刀面與微槽底劃痕較為嚴重，導致槽底Ra明顯增大。

綜上，選擇較小螺旋角的微銑刀、較大的主軸轉速和小切削參數的銑削深度和較大的進給速度，可有效提高微銑削加工的表面質量。

3 結論

文中研究了新型材料Ti-48Al-2Cr-2Nb合金微槽銑削時頂端兩側毛刺、槽底表面粗糙度與切削參數之間的影響規律，得出如下結論：

(1)γ-TiAl基合金的頂端毛刺相比于微制造領域常用的鈦合金類材料尺寸較大，且在大切削用量下微槽頂端順銑側毛刺尺寸明顯大于逆銑側。另一方面，該合金切削加工中，微槽底表面粗糙度Ra在0.026 6～0.075 1之間，具有槽底表面質量好，粗糙度數值較低的加工特性。

(2)為兼顧工件表面完整性和切削效率，在保證刀具耐用度的條件下，Ti-48Al-2Cr-2Nb合金微尺度銑削加工的最優工藝參數組合為：采用逆銑加工方式，選擇主軸轉速n=45 000 r/min、銑削深度ap=10 μm、刀具螺旋角β=25°以及進給速度vf=6 mm/min時進行微銑加工可獲得較好的工件加工質量。

文中結論為γ-TiAl基合金在今后實際生產加工中提供了一定的理論依據和技術支持。