周子同 陳志同

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

蔣理科

(中航工業(yè) 昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，景德鎮(zhèn)333000)

李秀琴

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)，在航空、航天等工業(yè)部門中的應(yīng)用越來越廣泛，用于制作飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要構(gòu)件.但是，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難.同時(shí)，由于鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮;切削過程中的塑性變形也會(huì)造成表面硬化.

加工硬化現(xiàn)象一般對提高零件疲勞壽命會(huì)帶來有利影響，但硬化程度超過一定范圍時(shí)不僅會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，而且能加劇刀具磨損，是切削鈦合金時(shí)一個(gè)很重要的特點(diǎn).為了盡可能研究透徹加工硬化的產(chǎn)生機(jī)理以及加工硬化對疲勞強(qiáng)度的影響，最終提高零件的壽命，對加工硬化的研究是非常必要并且迫切的.

文獻(xiàn)［1］研究了在線速度為10 m/min、進(jìn)給量為0.1 mm/r、切深為0.7 mm的條件下對某 γ相鈦合金進(jìn)行車削的表面完整性，得出了硬度最大值出現(xiàn)在表面并且硬化層在表面下100 μm內(nèi)的結(jié)論.文獻(xiàn)［2］研究了高速銑削參數(shù)對TC4鈦合金表面完整性的影響，指出銑削速度從113 m/min增加到301m/min時(shí)，硬化深度隨銑削速度的升高而減小，而當(dāng)銑削速度升高到377 m/min時(shí)，硬化深度略有增大.文獻(xiàn)［3］對TC21進(jìn)行了銑削加工，考察了加工硬化隨進(jìn)給量及切深的變化趨勢，認(rèn)為進(jìn)給量及切深對TC21硬化率及硬化深度影響并不明顯.文獻(xiàn)［4］研究發(fā)現(xiàn)，使用更低線速度或者加工過程中使用冷卻液時(shí)會(huì)使硬化率提高.文獻(xiàn)［5］通過非涂層和涂層刀具干銑鈦合金Ti-6242S實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果:在切削參數(shù)相同條件下，非涂層刀具磨損后，工件表面硬度增大值稍有降低，但會(huì)增加硬化層硬度峰值，并且會(huì)略微增加硬化深度.

國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金的表面完整性已經(jīng)進(jìn)行的一些研究，對TB6材料的研究有一定的參考價(jià)值，但對TB6材料銑削加工硬化的研究仍然欠缺.本文將對加工參數(shù)與TB6加工硬化現(xiàn)象進(jìn)行研究，為TB6銑削加工過程提供依據(jù)與方法.

1 加工硬化含義及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

文獻(xiàn)［6］首先引入了表面完整性的概念，將它定義為在機(jī)械加工過程中或者其他表面處理過程中產(chǎn)生的表面強(qiáng)化狀態(tài).加工硬化是加工表面層的物理力學(xué)性能，是表面完整性的重要指標(biāo)之一.

在機(jī)械加工過程中金屬表面層發(fā)生塑性變形，在塑性變形作用下使金屬強(qiáng)化的現(xiàn)象稱為加工硬化.在金屬塑性變形過程中，金屬晶粒發(fā)生滑移，晶格發(fā)生畸變，晶粒形狀及尺寸發(fā)生變化，并形成結(jié)構(gòu).

根據(jù)位錯(cuò)理論，塑性變形時(shí)金屬的強(qiáng)化在于位錯(cuò)集中在滑移線的附近［7］.由于位錯(cuò)周圍為彈性應(yīng)力場，所以對下一步的塑性變形必須比非強(qiáng)化金屬有更大的應(yīng)力.加工硬化會(huì)導(dǎo)致金屬密度和塑性變形程度成比例地降低，并且導(dǎo)致金屬變形阻力增大，塑性降低，硬度增高.

加工硬化通常以硬化層深度hd和硬化程度N表示.hd是指已加工表面至未硬化處的垂直距離，硬化程度N是已加工表面的顯微硬度值對原始顯微硬度的百分?jǐn)?shù)［8］.

式中，H為已加工表面的顯微硬度，GPa;H0為原基體金屬的顯微硬度，GPa.

2 TB6鈦合金銑削加工硬化實(shí)驗(yàn)

2.1 試件材料

試件材料為TB6合金，又稱Ti-1023.Ti-1023是一種典型的近β型鈦合金，名義成分為Ti-10V-2Fe-3A1，化學(xué)成分組成如表1所示［9］.

表1 TB6鈦合金的化學(xué)成分 %

TB6合金具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、淬透截面大、各向異性小和耐腐蝕能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn).該合金最高工作溫度可達(dá)320℃，適宜生產(chǎn)鍛件、板材和型材.另外，TB6的拉伸強(qiáng)度和疲勞性能與飛機(jī)結(jié)構(gòu)件常用結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiA一致，在飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、起落架結(jié)構(gòu)中替代與30CrMnSiA相同強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼可減重40%，在制造飛機(jī)機(jī)體和起落架等大型承力構(gòu)件中替代Ti-6A1-4V可實(shí)現(xiàn)20%的減重.

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

TB6試件經(jīng)過線切割制成截面為正方形的長方體，尺寸為20 mm×20 mm×30 mm.由于線切割過程中可能存在一些誤差，要求在實(shí)驗(yàn)之前使用直角尺檢驗(yàn)各樣件，選出合格樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

試件的銑削加工是在三軸立銑床上進(jìn)行，刀片為山特維克TiAlN涂層硬質(zhì)合金方肩立銑刀，刀尖圓弧半徑為R3.0～3.2 mm，刀盤直徑50 mm，型號為R390-50Q22-17L.

樣件加工之后的研磨與拋光使用了UNIPOL-802研磨拋光機(jī)，硬度測試使用了FM-800顯微維氏硬度計(jì).

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取

為了研究TB6銑削參數(shù)對加工硬化的影響，考慮線速度(Vc)、進(jìn)給量(fz)與切深(ap)3個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平.為了最終可以選出對加工硬化影響最大的因素，1～9組切削參數(shù)由等水平正交表L9(33)確定.同時(shí)，添加4組數(shù)據(jù)與正交表中數(shù)據(jù)組合可獲得單因素與加工硬化的影響.

另外，為了研究刀具后刀面磨損對加工硬化的影響，在銑削參數(shù)為 Vc=60 m/min，fz=0.12 mm/齒，ap=0.2 mm 的條件下，使用后刀面磨損量(VB)分別為 0.1，0.2 和 0.35 mm 的刀片對樣件進(jìn)行加工，然后測量表面硬化率及硬化層深度的變化.

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

在三軸立銑床上使用山特維克刀片對樣件進(jìn)行端銑，銑削方式為順銑，采用冷卻液進(jìn)行冷卻.銑削完成之后，在每個(gè)樣件的加工表面測出表面硬度值，以便獲得表面硬化率數(shù)值.

由于TB6硬化層較淺，所以采用斜切法對樣件進(jìn)行處理:在已加工表面上，距邊緣5～10 mm處研磨出與加工面有2°夾角的斜面.采用粗磨、精磨、拋光的方式逐步研磨，使研磨面不產(chǎn)生加工硬化層.為了盡可能使測試結(jié)果更準(zhǔn)確，需要保證斜面與已加工面之間的交角不產(chǎn)生圓角.斜切研磨之后的試件如圖1a所示.在已拋光表面進(jìn)行硬度測試的壓痕如圖1b所示.

圖1 硬度測試實(shí)驗(yàn)圖像

使用FM-800顯微維氏硬度計(jì)對試件進(jìn)行硬度測試，硬度測試的加載載荷為0.981 N，保荷時(shí)間選為10 s［11］.實(shí)驗(yàn)中測得 TB6基體硬度值為370～378 Hv.在斜切面上從分界線開始逐點(diǎn)測量，直至硬度值降低至370～378 Hv并且不再超出此范圍.通過斜切面上第n個(gè)壓痕與第1個(gè)壓痕之間的距離Sn與角度關(guān)系，則可求得第n個(gè)壓痕與表面的垂直距離，從而可得出硬化層深度hd.對硬化層測試的整體壓痕分布如圖1c所示.

為了觀察切削加工之后的表面層特性，沿著銑削速度方向?qū)υ嚰孛孢M(jìn)行切割，并且對切割面進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕等流程，然后在1 000倍光學(xué)顯微鏡下對試件觀察拍照，可以得到表層組織的金相照片.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 銑削參數(shù)與加工硬化之間的關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)得出正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

通過第5、第11和第12組數(shù)據(jù)可得到線速度對表面硬化率的影響曲線，通過第3、第11、第13組數(shù)據(jù)可以得出進(jìn)給對表面硬化率的影響曲線，通過第2、第10、第11組數(shù)據(jù)可得到切深對表面硬化率的影響曲線，結(jié)果見圖2.

從圖2可以看出，線速度從30 m/min升高到60 m/min時(shí)硬化率略有下降，而再升高到90 m/min時(shí)則出現(xiàn)較為明顯的下降.這是在較低的切削速度范圍內(nèi)，隨著切削速度的增加，塑性變形速度增大，第1變形區(qū)變窄，材料的塑性下降，而且切削速度增高會(huì)縮短后刀面與材料的接觸時(shí)間，使加工硬化來不及充分進(jìn)行;此外，切削速度的增加，又會(huì)使切削溫度增加，使軟化進(jìn)行得較為充分，這些影響都會(huì)使加工硬化程度隨線速度增加而逐步降低.

然而隨著線速度上升到150m/min，硬化率又略微上升，這是因?yàn)榧庸み^程中變形速度超過弱化速度時(shí)，弱化來不及充分進(jìn)行，而當(dāng)切削溫度超過相變點(diǎn)Acs時(shí)，表面層組織將產(chǎn)生相變，如遇急速冷卻，則成為淬火組織，使加工硬化隨切削速度的增加而增加.

隨著每齒進(jìn)給量從0.04 mm升高到0.12mm，表面硬化率略微增加，這是因?yàn)樵黾舆M(jìn)給量會(huì)使切削力及塑性變形區(qū)范圍增大，會(huì)導(dǎo)致加工硬化程度的加大.

另外，由圖2c可以看出，在線速度和進(jìn)給量保持不變的情況下，切深對硬化率的影響并不明顯.

圖2 切削參數(shù)對表面硬化率的影響曲線

3.2 硬化層深度曲線

通過斜切法測得表2中1～9組硬化層硬度分布曲線如圖3.由于斜切面上第1點(diǎn)處于分界線處，硬度值無法準(zhǔn)確測得，所以第1點(diǎn)均從3 μm開始.從圖中可以看出，最大硬度值基本上都出現(xiàn)在加工表面附近，隨著距表面深度的增大，硬度值逐步下降.硬化層深度大體在18～36 μm的范圍內(nèi)變化，說明使用無磨損的新刀片對TB6進(jìn)行銑削加工時(shí)，硬化并不嚴(yán)重.

鈦合金加工硬化層深度較小，這與其切削加工時(shí)的自發(fā)淬火及材料的導(dǎo)熱性密切相關(guān).通常高錳鋼、淬硬鋼等經(jīng)過淬火組織會(huì)變成硬度較高的馬氏體組織，而鈦合金經(jīng)過低溫淬火，所得馬氏體硬度不高，強(qiáng)化效果小，此外由于其導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量駐于近表層，所以得到的硬化層深度較小.

圖3 切削參數(shù)對表面硬化率的影響曲線

3.3 刀具后刀面磨損對加工硬化的影響

硬化層深度與后刀面磨損量之間的關(guān)系如圖4所示.從圖中可以看出，新刀加工出的樣件硬化層深度約為30 μm;當(dāng)VB達(dá)到0.1 mm時(shí)，硬化層深度提高到45 μm左右;VB達(dá)到0.2 mm時(shí)，硬化層深度提高到55 μm左右;而當(dāng)VB達(dá)到0.35 mm時(shí)，硬化層大幅增加至約130 μm.

圖4 后刀面磨損量對硬化層深度影響曲線

圖5為不同后刀面磨損量的刀具對硬化層深度的影響曲線.可見，刀具磨損對硬化層的變化影響比較明顯，隨著VB的增加，硬化層深度也在不斷增加.

隨著刀具磨損的增加，切削刃變鈍，使試件在被加工過程中受到擠壓的作用增大，在切削區(qū)被加工材料的變形也隨之增加，會(huì)增大硬化層深度;另外，刀具與切屑以及磨損后的刀具后刀面與已加工表面的摩擦也會(huì)增大，也會(huì)使切削熱增加，同樣會(huì)增大硬化影響層深度.刀具磨損初期，溫度增加比較平緩，到了后期則比較顯著［11］，所以刀具從無磨損到磨損量為0.1mm和0.2mm使硬化層增加比較緩慢，當(dāng)磨損量達(dá)到0.3 mm時(shí)，硬化層會(huì)急劇增加.

從圖5中可以看出，VB=0時(shí)，加工表面下硬度隨著距表面距離的增加基本處于緩慢下降狀態(tài);VBmax=0.1 mm時(shí)，在表面下10 μm處出現(xiàn)了一個(gè)波谷，硬度值為383Hv，隨后在30μm處又達(dá)到一個(gè)峰值，隨后再次緩慢下降到基體硬度后趨于穩(wěn)定;VBmax=0.2 mm 時(shí)，在表面下20 μm 處出現(xiàn)波谷，硬度值為375 Hv，在40 μm處達(dá)到峰值，隨后緩慢下降;VBmax=0.3 mm 時(shí)，表面下20 μm處同樣出現(xiàn)硬度值為375 Hv的波谷，然后在68 μm處出現(xiàn)一個(gè)硬度值達(dá)到407 Hv的波峰，之后硬度值緩慢下降.

圖5 不同磨損量下硬化層分布曲線

由于在靠近表面的位置，晶粒的滑移、拉長與破碎更加劇烈，會(huì)引起試件在表面附近硬度偏大.另外，在切削過程中，切削熱會(huì)使鈦合金表層金屬出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，由于鈦合金較差的導(dǎo)熱性，熱量就會(huì)在距表層較淺的深度處被保留一段時(shí)間，會(huì)使該深度處的硬度值下降.隨著刀具磨損量的增加，切削熱也隨之迅速增加，最終導(dǎo)致硬化深度曲線出現(xiàn)越來越明顯的波谷.

表面加工硬化一般可以防止裂紋產(chǎn)生并阻止已有裂紋的擴(kuò)展，對提高疲勞強(qiáng)度有利;但表面硬化增加到一定程度時(shí)，表面塑性變形層在循環(huán)加載和高溫作用下會(huì)加速擴(kuò)散進(jìn)程，進(jìn)而使金屬表面層軟化和損失其承載能力.所以工廠在實(shí)際加工過程中，需要嚴(yán)格控制刀具磨損，盡量避免使用后刀面磨損量超過0.2mm的刀具對鈦合金進(jìn)行加工.

3.4 表層微觀組織

VB分別為0，0.1，0.2 和 0.35 mm 時(shí)表層組織的金相照片，如圖6所示.從金相照片中可以清晰看出，試件已加工表層晶粒發(fā)生了拉伸和滑移.而且當(dāng)?shù)毒吣p加劇時(shí)，試樣表層的鈦合金晶粒扭曲程度更加明顯，晶粒扭曲層深度也隨著加深.

圖6 不同磨損量下表層微觀組織

4 結(jié)論

通過對TB6鈦合金銑削參數(shù)對加工硬化影響的研究，可以得出如下結(jié)論:

1)TB6銑削端銑加工過程中，會(huì)產(chǎn)生加工硬化.刀具無磨損的情況下，硬化率基本保持在107%～112%范圍內(nèi)，硬化層深度范圍為18～36μm，加工硬化并不嚴(yán)重.

2)銑削速度由30 m/min增加到90 m/min時(shí)，加工硬化程度會(huì)有較為明顯的降低現(xiàn)象，而繼續(xù)增加到150 m/min時(shí)，加工硬化程度再次增加;進(jìn)給量由0.04 mm逐步升高到0.12 mm時(shí)，表面硬化程度會(huì)有略微提高，而切深量不同時(shí)，加工硬化程度的變化并不明顯.

3)刀具磨損對加工硬化的影響較為顯著，后刀面磨損量從0增加到0.2mm時(shí)，硬化層深度從30 μm 增加至55 μm，而后刀面磨損量為 0.35 mm時(shí)，硬化層深度達(dá)到了130 μm.

4)刀具經(jīng)過一定磨損后，在表面下較淺位置會(huì)出現(xiàn)軟化區(qū)域，隨著磨損量增大，軟化區(qū)域更加明顯.

5)從金相照片可以看出，試件已加工表層晶粒發(fā)生了拉伸和滑移.并且刀具磨損加劇時(shí)，試樣表層的鈦合金晶粒扭曲程度更加明顯，晶粒扭曲層深度也隨著加深.

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