錐度球頭刀加工鈦合金TC4表面粗糙度建模

摘 要：高性能商用航空發動機大型復合材料風扇葉片高速旋轉時存在分層開膠風險，需要在其前緣通過膠結工藝裝配鈦合金TC4前緣金屬加強邊予以保護，而膠結性能受到裝配表面粗糙度影響較大。本文針對鈦合金TC4前緣金屬加強邊內腔加工表面粗糙度，以主軸轉速、每齒進給量和軸向切深為設計因子，分別開展4種細長錐度球頭刀四軸銑削鈦合金TC4試驗，測試已加工表面粗糙度。基于測試的樣本數據，分別針對4種細長錐度球頭刀建立加工表面粗糙度的經驗模型。結果表明，主軸轉速增加，直徑為5.0mm時，表面粗糙度大幅降低，直徑為3.0mm時，表面粗糙度卻有所增加；主軸轉速、每齒進給量增加時，直徑4.0mm、2.4mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度沒有較大變化。隨著軸向切深增加，4種直徑的刀具加工的表面粗糙度均大幅增加。

關鍵詞：鈦合金TC4； 多軸銑削； 錐度球頭刀； 表面粗糙度； 弱剛性

中圖分類號：V261.2 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.08.009

基金項目： 國家自然科學基金（52075451）；航空科學基金（2019ZE053008）

國外在商用大涵道比渦扇發動機中已廣泛采用尺寸更大、重量更輕的復合材料風扇葉片，如美國GE公司的GEnx發動機以及LEAP-X系列發動機均開始采用復材葉片[1]。相對于傳統的鈦合金葉片，復材葉片具有許多優勢，包括重量輕、效率高、噪聲低、燃油消耗率較低、抗顫振性能和損傷容限能力優異等。與空心風扇葉片一樣，復材葉片服役的巨大挑戰是抗鳥撞能力弱，同時復材葉片高速旋轉時，可能會出現進氣邊分層開膠的問題[2-3]。為解決該問題，需要在復材葉片的前緣采用金屬加強邊結構進行保護。加強邊與復材葉片之間使用膠結工藝進行裝配，膠結質量受加強邊內腔表面粗糙度的影響較大[4]。鈦合金表面越粗糙，表面有更多的接觸面積，從而有利于膠黏劑更好地滲透和附著，形成更強的物理連接，與碳纖維增強復合材料（CFRP）之間的膠結強度就越大[5]。但過高的粗糙度會導致膠結界面不均勻，產生應力集中和氣泡等缺陷，從而降低膠結強度。

前緣金屬加強邊材料為難加工鈦合金TC4材料，其內腔具有深且狹長、扭曲度大等特征，精加工需采用定制的細長錐度球頭刀具，剛性極弱。其內腔銑削加工表面粗糙度受到弱剛性刀具結構及銑削參數影響。文獻[6]率先研制復材風扇葉片，采用了五軸數控加工方式來制造前緣加強邊；文獻[7]首先提出采用數控加工技術制造鈦合金前緣加強邊并率先完成工程化應用；文獻[8]給出了加強邊的數控加工工藝方案。然而上述報道未涉及表面粗糙度。原恩桃等[9]給出了球頭刀銑削曲面表面粗糙度的理論計算方法，分析了切削深度和進給速率對加工表面粗糙度的影響規律。Zhang Minli等[10]認為在考慮環形銑刀的直徑和圓角半徑的情況下再選擇合適的切削進給速率和切削寬度是獲得理想表面粗糙度的新途徑。Cheng Dejun等[11]考慮刀具幾何形狀、每齒磨損重疊分布、刀具跳動和磨損重疊區，建立球頭刀多軸加工的時變表面粗糙度預測模型。楊小璠等[12]研究了細長球頭刀的懸伸量對模具鋼銑削表面粗糙度的影響，發現切寬方向上的表面粗糙度受懸伸量影響較小；而當懸伸量超過100時，走刀方向上的表面粗糙度受懸伸量影響較大。方淑君[13]研究球頭刀具空間姿態對銑削加工表面粗糙度的影響規律，并給出了最佳前傾角和側傾角約為50°。針對細長錐度球頭刀而言，刀具直徑、銑削參數、刀具懸長等均會對加工表面粗糙度產生影響，但鮮有相關的公開報道。

本文針對前緣金屬加強邊內腔高表面粗糙度需求的工程背景，通過試驗手段，建立弱剛性細長錐度球頭刀多軸加工鈦合金TC4表面粗糙度的預測模型，探索工藝參數對鈦合金TC4表面粗糙度的影響規律，可為前緣金屬加強邊內腔多軸精密銑削工藝參數優化奠定模型基礎。

1 鈦合金TC4銑削試驗

1.1 試驗條件

鈦合金TC4精密銑削試驗在MIKRON HSM800加工中心上進行。刀具采用四齒整體硬質合金錐度球頭刀，直徑分別為5.0mm、4.0mm、3.0mm和2.4mm，半錐角度均為1.8°，所有試驗均采用相同懸長量。工件為鈦合金TC4楔形塊。加工方式為順銑、乳化液冷卻。加工現場如圖1所示。

采用自動顯微硬度測試儀FEM-8000測試鈦合金TC4材料的顯微硬度，取4次平均值HV=352.25，滿足鈦合金TC4材料表材料要求。如圖2所示，采用Marsurf XT20表面粗糙度測試系統進行測量加工表面粗糙度測試，每個試樣測試三次取平均值。

采用三因素四水平的正交試驗法，選取主軸轉速、每齒進給量和軸向切深作為變量因子。基于現有鈦合金TC4銑削工程經驗，直徑5.0mm和4.0mm錐度球頭刀主軸轉速參數范圍為8000～11000r/min，每齒進給量參數范圍為0.01～ 0.04mm/z，軸向切深參數范圍為0.1～0.4mm；直徑3.0mm和直徑2.4mm錐度球頭刀主軸轉速n范圍為8000～11000r/min，每齒進給量fz范圍為0.01～0.04mm/z，軸向切深ap范圍為0.05～0.20mm；直徑5.0mm、直徑4.0mm、直徑3.0mm和直徑2.4mm錐度球頭刀的切削寬度ae依次為0.45mm、0.40mm、0.35mm和0.31mm。具體銑削參數試驗水平見表1。

1.2 試驗結果及分析

鈦合金TC4精密銑削后，工件表面粗糙度的測試結果見表2和表3，其中，Ra為表面粗糙度參數值。

圖3（a）展示了4種錐度球頭刀加工情況下的轉速與表面粗糙度的極差分析曲線。可以看出，總體上表面粗糙度隨主軸轉速的增高呈現降低趨勢。這是由于高速加工條件下有利于降低切削力。圖3（b）展示了4種錐度球頭刀加工情況下的每齒進給量與表面粗糙度的極差分析曲線。可以看出，當刀具直徑較小時表面粗糙度隨每齒進給量的增加先減小后增大，刀具直徑為3mm時，表面粗糙度隨每齒進給量的增加先減小后增大的變化趨勢最明顯，當刀具直徑為5mm時，隨著每齒進給量的增加表面粗糙度逐漸增大。較大的每齒進給量會導致增加表面粗糙度。但對于弱剛性細長刀具來說，合適的進給會減小加工振動從而降低加工表面粗糙度。圖3（c）展示了4種錐度球頭刀加工情況下的軸向切深與表面粗糙度的極差分析曲線。可以看出，表面粗糙度隨軸向切深的增大而增大，刀具直徑越小趨勢越明顯。較大的切削深度會增大切削力，導致加工振動，進而增加表面粗糙度。綜上可見，弱剛性細長錐度球頭刀銑削振動對加工表面粗糙度的影響較為明顯。

2 表面粗糙度經驗模型構建

采用多元回歸分析的方法來表征鈦合金TC4與精密銑削參數之間的映射關系，回歸分析既能反應出各種自變量對因變量之間的關系，又能反應各種變量之間的相互影響。影響表面粗糙度的三個主要因素包括軸向切深、每齒進給量和主軸轉速，由于上述三個因素之間的相互關系未知且它們對表面粗糙度的指數關系未知，因此選擇三元二次多項式來擬合軸向切深、每齒進給量和主軸轉速與表面粗糙度之間的關系，將已加工表面粗糙度Ra表征為三個參數的多項式函數如下

3 結論

本文針對鈦合金前緣金屬加強邊內腔多軸精密加工工程背景，開展加工表面粗糙度建模方法研究，發現錐度球頭刀的直徑對多軸加工表面oEpt7HvLVSOXZErLrl8AEtUv96GvTsrWg39BQM8MX5Y=粗糙度的變化規律有所影響。主要結論總結如下：

（1）隨著主軸轉速的增加，直徑5.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度大幅降低，而直徑3.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度卻有所增加，直徑4.0mm、2.4mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度呈現先減小后增加的趨勢。

（2）隨著每齒進給量的增加，直徑5.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度不斷增加，而直徑3.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度卻先大幅下降然后有所增加，直徑4.0mm、2.4mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度的變化不明顯。

（3）隨著主軸切深的增加，4種直徑的錐度球頭刀加工的表面粗糙度均大幅增加，且直徑3.0mm的錐度球頭刀加工的表面粗糙度變化最劇烈。

（4）建立了4種錐度球頭刀加工鈦合金TC4的表面粗糙度的多項式經驗預測模型，可為鈦合金TC4前緣金屬加強邊內腔精密加工表面粗糙度優化提供基礎模型，進而提升加強邊與復材葉片的黏結性能。

參考文獻

[1]劉強，趙龍，黃峰. 商用大涵道比發動機復合材料風扇葉片應用現狀與展望[J].航空制造技術， 2014（15）：58-62. Liu Qiang， Zhao Long， Huang Feng. Present conditions and development of composite fan blades of high bypass ratio commercial jet engines[J]. Aeronautical Manufacturing Technology， 2014（15）：58-62. （in Chinese）

[2]劉洋，王亮，郭軍. 鋁包邊對復合材料風扇葉片抗鳥撞能力的影響[J].兵工學報，2018，39（S1）：114-120. Liu Yang， Wang Liang， Guo Jun. Infuence of aluminum package edge on bird-stike resistance of composite fan blades of an engine [J]. Acta Armamentarii， 2018，39（S1）：114-120. （in Chinese）

[3]劉志強，李從富，賈林，等.鈦合金空心風扇葉片模擬鳥撞研究[J].航空科學技術， 2022， 33（9）： 7-15. Liu Zhiqiang， Li Congfu， Jia Lin， et al. Research on simulant bird strike of titanium alloy hollow fan blade[J]. Aeronautical Science & Technology， 2022， 33（9）： 7-15. （in Chinese）

[4]孫煜，劉強，黃峰，等.復合材料風扇葉片鈦合金加強邊膠結技術研究[J].復合材料科學與工程，2021（3）：78-81+98. Sun Yu， Liu Qiang， Huang Feng， et al. Study on bonding technol‐ogy of titanium alloy trim/composite fan blade[J]. Composites Science and Engineering， 2021（3）：78-81+98. （in Chinese）

[5]孫煜，劉強，武肖鵬.不同表面處理工藝對鈦合金/復合材料膠結強度影響機理研究[J].武漢理工大學學報，2021，43（3）：7-12+41. Sun Yu， Liu Qiang， Wu Xiaopeng. Study on mechanism of different surface treatment processes on bonding strength of titanium alloy/composite[J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2021，43（3）：7-12+41. （in Chinese）

[6]Bryan J. Sim takes flight[J]. Cuting Tool Engineering Maga‐zine， 2008， 60（10）： 70-73.

[7]任軍學，李祥宇，周于軻，等. 復材葉片前緣鈦合金加強邊內外同步對稱銑加工方法： 中國， ZL 201810133341.4 [P]. 2019-01-11. Ren Junxue， Li Xiangyu， Zhou Yuke， et al. Method of simultane‐ous symmetrical milling of inner and outer strengthening edges of titanium alloy in composite blade leading edge： China， ZL 201810133341.4 [P]. 2019-01-11. （in Chinese）

[8]劉振，華震，董廣朋，等. 一種風扇葉片金屬包邊的加工方法：中國， ZL 202310629935.5 [P]. 2023-08-22. Liu Zhen， Hua Zhen， Dong Guangpeng， et al. Method for metal edging of fan blade： China， ZL 202310629935.5 [P]. 2023-08-22.（in Chinese）

[9]原恩桃， 邵兵. 球頭刀銑削表面粗糙度的研究[J].上海電機學院學報， 2019， 22（6）： 326-329. Yuan Entao， Shao Bing. Exploring surface roughness on milling for balling cutter [J]. Journal of Shanghai Dianji University， 2019， 22（6）： 326-329. （in Chinese）

[10]Yang Shucai， He Chunsheng， Zheng Minli. A prediction model for titanium alloy surface roughness when milling with microtextured ball-end cutters at different workpiece inclination an‐gles[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019， 100： 2115-2122.

[11]Cheng Dejun， Quan Hongjie， Kim Sujin， et al. Modeling of time-varying surface roughness considering wear overlap per tooth in ball end finish milling[J]. Arabian Journal for Science and Engineering， 2021， 46： 12309-12330.

[12]楊小璠，劉菊東，李凌祥，等. 整體硬質合金球頭銑刀銑削典型模具鋼4Cr5MoSiV1特性實驗研究[J].哈爾濱理工大學學報， 2020， 25（3）： 68-74. Yang Xiaofan， Liu Judong， Li Lingxiang， et al. Research on the characteristic experiment about milling typical die steel 4Cr5MoSiV1 with solid carbide ball-end mill [J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2020，25（3）：68-74. （in Chinese）

[13]方淑君. 球頭刀具空間姿態對銑削加工表面粗糙度和形狀精度的影響[D].廣州： 華南理工大學， 2018. Fang Shujun. The influence of ball-end cutter spatial orienta‐tion on the milled surface roughness and form accuracy [D]. Guangzhou： South China University of Technology，2018. （in Chinese）

Modeling the Surface Roughness for Machining Titanium Alloy TC4 with Taper Ball-end Cutter

Zhou Jinhua1，2， Zhao Chaoqun1，2， Qi Qi1，2， Ren Junxue1，2

1. Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero-engine，Northwestern Polytechnical University，Ministry of Industry and Information Technology， Xi’an 710072， China

2. Engineering Research Center of Advanced Manufacturing Technology for Aero-engine， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

Abstract： Large composite fan blades of high-performance commercial aero-engines are at risk of delamination and gluing during high-speed rotation. It is necessary to protect the leading edge of the blade by assembling a titanium alloy TC4 leading edge metal reinforcement edge through the gluing process. However， the performance of gluing is greatly affected by the roughness of the assembled surface. In this paper， for the machining surface roughness of the inner cavity of titanium alloy TC4 leading edge metal reinforcement edge， with spindle speed， feed per tooth and axial cutting depth as design factors， four experiments were conducted using slender tapered ball-end cutters to machine the titanium alloy TC4. The surface roughness of the machined samples was measured. Based on the collected data， empirical surface roughness models were established for the four types of slender tapered ball-end cutters. The results show that the spindle speed increases and the surface roughness decreases considerably at a diameter of 5.0mm. Conversely， the surface roughness increases for a diameter of 3.0mm. The surface roughness machined by the tapered ball end cutter with diameters of 4.0mm and 2.4mm did not change significantly when the spindle speed and feed per tooth increased. The surface roughness machined by all the four diameters of the cutters increased substantially with increase in axial depth of cut.

Key Words： titanium alloy TC4； multi-axis milling； taper ball-end cutter； surface roughness； weak stiffness