張鐵,汪振華,袁軍堂,鄭侃

南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

TC18鈦合金是一種過渡型α+β合金,同時(shí)具有α+β鈦合金和β鈦合金的性能特征,是一種近β鈦合金,具有高淬透性、高斷裂韌性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1]。但TC18鈦合金作為一種雙相組織材料,在切削加工過程中產(chǎn)生較大的切削力,同時(shí)由于其導(dǎo)熱性較差容易產(chǎn)生大量切削熱,造成加工表面質(zhì)量下降,屬于典型難加工材料[2]。

超聲振動(dòng)加工技術(shù)是一種結(jié)合超聲加工技術(shù)與傳統(tǒng)銑削,將超聲波振動(dòng)施加于刀具或工件上的復(fù)合加工技術(shù)[3]。超聲振動(dòng)加工過程表現(xiàn)為刀具對(duì)工件進(jìn)行高頻斷續(xù)加工,加工過程中刀具或工件按照一定頻率進(jìn)行振動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)刀具與工件間的高頻重復(fù)分離和接觸,以此達(dá)到改善被加工材料表面質(zhì)量的目的。使用這種加工技術(shù)可以有效降低切削溫度,減少刀具磨損,改善鈦合金的表面完整性[4]。

近年來(lái),將超聲振動(dòng)加工技術(shù)應(yīng)用到加工鈦合金的研究較多。馬超等[5]研究了超聲振動(dòng)輔助銑削加工參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)對(duì)切削力的影響,結(jié)果表明,施加超聲振動(dòng)后的切削力相較于普通銑削加工明顯降低。牛贏等[6]通過縱扭超聲銑削加工方法探究工藝參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響機(jī)制,試驗(yàn)結(jié)果顯示,與普通銑削加工相比,縱扭超聲銑削可減少平均切削力,降低切削溫度,同時(shí)顯著增加表面殘余壓應(yīng)力值。Liu J.等[7]研究了側(cè)銑旋轉(zhuǎn)超聲橢圓加工對(duì)Ti-6Al-4V表面完整性的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,使用側(cè)銑旋轉(zhuǎn)超聲橢圓加工技術(shù)可產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力以及加工表面的加工硬化,顯著提高被加工表面的表面完整性。Liu Q.等[8]對(duì)超聲輔助銑削過程中刀具磨損進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在相同加工條件下,超聲輔助銑削加工刀具壽命更長(zhǎng),同時(shí)在相同磨損情況下超聲輔助銑削產(chǎn)生更小的切削力和切削溫度。童景琳等[9]采用超聲縱—扭復(fù)合振動(dòng)加工方法,研究不同振動(dòng)方式下銑削刀具磨損特性,試驗(yàn)結(jié)果顯示,該加工方法可以有效減少刀具沖擊,增加刀具壽命。

以上研究表明,使用超聲加工方式加工鈦合金在提高銑削加工穩(wěn)定性、降低切削力與切削溫度、改善加工表面質(zhì)量以及延長(zhǎng)刀具壽命等方面具有顯著效果。但上述大部分研究是針對(duì)鈦合金表面完整性中的某一特征進(jìn)行研究,或僅研究超聲加工參數(shù)對(duì)表面完整性的影響,忽略了傳統(tǒng)銑削加工參數(shù)的影響,比如僅研究超聲振幅大小對(duì)鈦合金表面粗糙度的影響而忽略切削參數(shù)的影響,對(duì)研究超聲加工方式對(duì)于鈦合金表面完整性的影響稍顯不足。本文以TC18鈦合金作為加工材料,在超聲加工(RUM)以及非超聲加工(CM)條件下對(duì)比研究超聲振動(dòng)以及主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鈦合金表面完整性(表面粗糙度、殘余應(yīng)力及顯微硬度)的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

試樣材料為TC18鈦合金,其相關(guān)化學(xué)成分以及物理力學(xué)特性如表1和表2所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

選用MCV-L850三軸立式加工中心以及陜西智遠(yuǎn)貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的SY-2000高速旋轉(zhuǎn)超聲波加工系統(tǒng)進(jìn)行銑削鈦合金試驗(yàn)(見圖1),通過調(diào)節(jié)輸入電流值大小實(shí)現(xiàn)超聲振幅的大小變化。刀具選用硬質(zhì)合金TiAlN涂層四刃立銑刀,螺旋角45°。加工過程中使用切削液,銑削方式為順銑。試驗(yàn)主要加工參數(shù)如表3所示,為避免刀具磨損對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,每一組加工參數(shù)條件下都使用新刀加工。

圖1 超聲加工系統(tǒng)

表3 銑削加工參數(shù)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量

試驗(yàn)主要觀測(cè)分析表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力三方面結(jié)果。使用Keyence VK-XX 100形狀測(cè)量激光顯微系統(tǒng)測(cè)量表面粗糙度值并拍攝表面形貌,在拍攝視野內(nèi)隨機(jī)選取十條線上的粗糙度值的平均值作為測(cè)量結(jié)果。利用HV-1000IS圖像分析顯微硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度值,設(shè)置加載載荷為200g,保荷時(shí)間為15s,由于硬度值存在分布不均的情況,因此測(cè)量區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)加工表面,以便保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。通過X-350A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)量表面殘余應(yīng)力,選擇銅靶靶材。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表面形貌和表面粗糙度

不同轉(zhuǎn)速下鈦合金表面形貌各不相同,相較于普通銑削加工,在相同轉(zhuǎn)速下超聲加工的工件表面形貌紋理更加復(fù)雜,圖2為兩種加工條件下的工件表面形貌。

圖2 不同銑削加工參數(shù)的工件表面形貌

在普通銑削的情況下,刀具在工件表面形成圓弧狀條紋,同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加,條紋由疏松向緊密變化[10]。超聲銑削加工時(shí),由于超聲加工的斷續(xù)切削特性,加工表面受到反復(fù)沖擊,改變了表面形貌,形成微凹坑的結(jié)構(gòu),且微凹坑結(jié)構(gòu)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大[11]。

不同的銑削加工參數(shù)帶來(lái)不同的加工表面形貌,在一定程度上反映了超聲加工與普通加工對(duì)工件表面的不同作用情況,從而必然導(dǎo)致表面粗糙度發(fā)生變化。

從圖3可見,表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí),超聲振動(dòng)作用下鈦合金粗糙度提高20.1%;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min時(shí),超聲能量使得鈦合金粗糙度提高17.1%;主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min時(shí),鈦合金粗糙度可提高18.0%。這是因?yàn)殡S著主軸轉(zhuǎn)速的不斷增加,銑削溫度不斷升高,鈦合金加工表面熱軟化效應(yīng)不斷加強(qiáng),不易產(chǎn)生積屑瘤,加工表面缺陷減少,表面粗糙度不斷減小[12]。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

在超聲銑削鈦合金中,主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min提高到4000r/min時(shí),表面粗糙度降低了21.2%。這是因?yàn)殡S著主軸轉(zhuǎn)速增加,刀具振動(dòng)頻率不變,刀具每轉(zhuǎn)1圈對(duì)工件表面的熨壓次數(shù)減小,使得每顆“魚鱗”的范圍增加,表面起伏降低,粗糙度降低[13]。同時(shí)超聲加工的斷續(xù)切削特性讓切削液更容易接觸到加工表面,切削溫度升高速度變慢,刀具后刀面磨損減少,從而使表面粗糙度降低[14]。

3.2 表面殘余應(yīng)力

研究顯示加工表面的殘余應(yīng)力是影響工件疲勞壽命的主要因素[15]。圖4為不同加工參數(shù)條件下殘余應(yīng)力變化規(guī)律,可以看出,工件被加工表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力[16]。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律

普通銑削加工中,主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min增至4000r/min時(shí),鈦合金表面殘余應(yīng)力的絕對(duì)值由210.8MPa增至327.45MPa,增幅55.34%。在超聲銑削加工中,主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min增至4000r/min時(shí),鈦合金表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值由335.8MPa增至503.4MPa,增幅49.9%。這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,銑刀側(cè)刃與工件材料在摩擦作用下使材料表面的塑性變形加劇,刀具對(duì)工件材料表層擠壓作用增強(qiáng),導(dǎo)致殘余應(yīng)力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而增加。

超聲銑削和普通銑削均使殘余應(yīng)力呈壓應(yīng)力狀態(tài),但在高頻低幅的超聲振動(dòng)作用下,鈦合金表面的殘余應(yīng)力顯著提高[17]。主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí),超聲銑削可提高鈦合金表面殘余應(yīng)力59.3%;主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí),超聲能量場(chǎng)的攝入可提高鈦合金表面殘余應(yīng)力25.9%;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r/min時(shí),高頻低幅的沖擊振動(dòng)可提高鈦合金表面殘余應(yīng)力53.7%。這是由于在超聲銑削過程中,刀具高頻沖擊金屬表面,對(duì)鈦合金表層材料進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)化,刀具后刀面與工件表面材料產(chǎn)生擠壓,使得工件表面形成較高的殘余壓應(yīng)力。同時(shí)隨著主軸轉(zhuǎn)速增加,超聲銑削的斷續(xù)切削特性使切削熱引起的材料體積膨脹效應(yīng)減弱,即降低了熱載荷引發(fā)的殘余拉應(yīng)力,從而提高了鈦合金表面的殘余壓應(yīng)力。

3.3 顯微硬度

圖5為給定其他參數(shù)條件下主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面顯微硬度的影響,從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,顯微硬度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大不斷增大[18]。

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面顯微硬度影響規(guī)律

普通銑削加工中,當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí),鈦合金表面顯微硬度為180.1HV;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí),表面顯微硬度為195.48HV;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min時(shí),表面顯微硬度為206.94HV,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,普通銑削加工時(shí)的鈦合金表面顯微硬度提高了19.1%。

超聲銑削加工中,當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí),鈦合金表面顯微硬度為198.55HV;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí),表面顯微硬度為216.35HV;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min時(shí),表面顯微硬度為236.54HV。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,超聲加工條件下表面顯微硬度提高了14.9%。試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同主軸轉(zhuǎn)速下,超聲加工可使表面顯微硬度增加10.25%～14.31%。

一方面,在銑削加工過程中,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,材料的應(yīng)變硬化速率提高,切削過程中對(duì)加工表面的強(qiáng)化效應(yīng)增強(qiáng),使得表面顯微硬度增加[19],同時(shí)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,鈦合金中的鈦元素與空氣中的O元素和N元素反應(yīng)加劇,在加工表面形成氧化鈦和氮化鈦薄膜,工件脆性不斷增加,提高了表面顯微硬度[20];另一方面,由于超聲加工的斷續(xù)切削特性,刀具對(duì)加工表面產(chǎn)生高頻沖擊,使表層材料受到更大的擠壓,進(jìn)一步使工件表面材料發(fā)生連續(xù)的塑性變形,在加工表面層產(chǎn)生更大程度的塑性變形,導(dǎo)致硬化程度不斷增大,顯微硬度不斷提高[21]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)超聲振動(dòng)銑削和普通銑削鈦合金的表面形貌、表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論。

(1)在給定其他加工參數(shù)條件下,采用普通銑削加工與超聲振動(dòng)加工試驗(yàn),結(jié)果表明,超聲銑削加工后鈦合金表面形貌呈周期性魚鱗狀。與普通銑削加工相比,超聲銑削加工鈦合金表面粗糙度增加17.1%～20.1%,并隨著主軸轉(zhuǎn)速增加,超聲銑削與普通銑削鈦合金表面粗糙度均呈下降趨勢(shì)。

(2)超聲銑削加工在加工表面下方會(huì)形成相較于普通銑削加工更深的加工變形層,其在不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面顯微硬度均高于普通銑削加工表面顯微硬度,并且主軸轉(zhuǎn)速越高,表面顯微硬度越大。

(3)超聲銑削加工表面殘余應(yīng)力高于普通銑削加工表面殘余應(yīng)力,且超聲振動(dòng)銑削加工表面上的殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力,同時(shí)在兩種加工方式下殘余應(yīng)力值均隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。

(4)與普通銑削加工相比,超聲銑削加工有助于提高表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力,有效改善鈦合金表面完整性,體現(xiàn)出超聲銑削加工更好的銑削工藝特性。