銑削方式對鈦合金TB6加工硬化影響研究

李傳奇

(中國電子科技集團 第八研究所，安徽 淮南 232001)

銑削方式對鈦合金TB6加工硬化影響研究

李傳奇

(中國電子科技集團 第八研究所，安徽 淮南 232001)

摘要：鈦合金TB6屬高強高韌近β型鈦合金，具有良好的鑄鍛性和淬透性，目前應用非常廣泛。通過順逆銑、新刀或磨損刀一次銑削和二次銑削試驗，研究了鈦合金TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)加工硬化和加工硬化層深度。研究結果表明，用硬質合金刀片銑削鈦合金TB6，順銑比逆銑加工硬化和加工硬化層深度小，新刀比磨損刀加工硬化小，新刀加工硬化層深度<25 μm，刀具磨損量VB=0.3 mm時，磨損刀加工硬化層深度最高可達81 μm，其二次銑削將導致已加工表面軟化。

關鍵詞：順銑與逆銑；刀具磨損；加工表面硬化；鈦合金TB6

鈦合金TB6屬高強高韌近β型鈦合金，因其良好的鑄鍛性和淬透性，已成為飛機的機身、機翼、起落架、直升機中央件和旋翼連接件等關鍵結構件的重要材料。這些關鍵零件受力復雜，工作環境差[1]，其加工質量的優劣直接關系到飛機整體結構性能的好壞，只有嚴格控制零件的加工表面質量，才能確保零件的工作可靠性和使用壽命。加工硬化是決定零件表面性能的關鍵因素之一，對零件的疲勞強度和抗腐蝕能力等有著重要影響。

鈦合金在銑削加工過程中塑性大，韌度高，加工硬化傾向大。C. F. Wyen等[2]在銑削鈦合金Ti-6Al-4V時，順銑對加工硬化影響較小，逆銑對加工硬化影響較大。M.B. Mhamdi利用球頭刀點銑加工鈦合金Ti-6Al-4V時，在接觸傾角為60°的情況下順、逆點銑，隨銑削速度增大，加工硬化總趨勢均降低，底銑時加工硬化影響稍大。范繼美等[3]在銑削鈦合金TAl5試驗研究中發現，顯微硬度值和硬化層深度都隨著刀具磨損的增大而增大；在刀具磨鈍前顯微硬度值和硬化層深度隨磨損狀態的影響不是很大，當刀具達到了磨鈍標準，顯微硬度值和硬化層深度都發生了很大的變化，加工硬化程度明顯惡化。J.Sun等通過非涂層和涂層刀具干銑鈦合金Ti-6242S試驗，刀具磨損均增大試件表面加工硬化。C. H. Che-Haron等通過干車削Ti-6246試驗，得到了刀具磨損大小對加工表面組織的影響，刀具磨損大導致表面層組織塑性變形大，形成白層硬化現象，刀具磨損小，出現非常小的硬化層。A. Daymi用SANDVIK涂層硬質合金球頭刀具高速坡走銑鈦合金Ti-6Al-4V，不同坡傾角加工導致表面加工硬化不同，坡傾角越大加工硬化越嚴重，無坡傾角時加工硬化最大值為350 HV0.2，加工硬化層深度均<120 μm。陳建玲在銑削鈦合金Ti-6A1-4V時[4-5]，銑削因素的變化使己加工表面呈現不同程度的硬化，無論高速銑削還是低速銑削，顯微硬度沿距離表面深度變化的趨勢基本是一致的，都經歷了表面強化→熱軟化→再度強化→趨于穩定的過程。從上述研究成果可以看出，銑削加工方式和刀具磨損狀態對加工表面硬化及硬化層深度有直接影響；因此，研究順逆銑、新刀和磨損刀的一次銑削(刀刃第1次對試件材料進行的銑削，簡稱一次銑削)、二次銑削(在第1次銑削的基礎上，刀片旋轉過來后，刀刃再次對已加工表面的擠壓銑削，簡稱二次銑削)等，對已加工表面加工硬化和硬化層深度的影響具有重要意義。

1試驗條件與方案

1.1試驗材料

鈦合金TB6的化學成分見表1，其室溫下的力學性能見表2。

表1　鈦合金TB6的化學成分(質量分數)　(%)

表2 　鈦合金TB6的力學性能

1.2試驗條件

1)試驗機床和刀具。所有試驗均在三坐標立式數控銑床上進行，使用SANDVIK刀，刀盤直徑50 mm，型號為R390—50Q22—17L，TiAlN涂層硬質合金方肩銑刀片，型號為R390—17 04 31E-PM S30T，刀尖圓弧半徑為R3～R3.2 mm。

2)試驗儀器。用FM—800型顯微硬度計測量顯微硬度，用HVS—1000金相顯微鏡獲取金相組織。

1.3試驗方案

試驗中，銑削速度vc=60 m/min；每齒進給量fz=0.06 mm/r；軸向切深ap=0.5 mm；磨損刀后刀面磨損量VB=0.3 mm。試驗件尺寸為40 mm×40 mm×30 mm，銑刀盤上只安裝1個刀片,每組試驗完成后更換新刀片或磨損刀片，銑削試驗示意圖如圖1所示，乳化液冷卻潤滑。顯微硬度測試點如圖1中一次銑削順銑點1、二次銑削順銑點3和一次銑削逆銑點2。

圖1　銑削試驗示意圖

銑削后采用斜切法，在已加工表面上距端面約5 mm處沿進給垂直方向，用慢走絲切割法切割出一個1°～3°的斜角，如圖2所示，然后對斜切面進行粗磨、精磨、研磨和拋光。研磨斜面使其不能產生附加的塑性變形層，且保證已加工表面與斜切面之間的交角不出現圓角。用顯微硬度計在斜切面上逐點測量顯微硬度，直到出現基體材料的硬度為止，從而得到顯微硬度值及硬化層深度。

圖2　顯微硬度測試試件

沿著已加工試件的進給方向切割，制備金相試樣。將切割斷面研磨、拋光后進行腐蝕，腐蝕劑配比為氫氟酸∶硝酸∶水=1∶2∶10。用型號為HVS—1000的金相顯微鏡對已加工面一側斷面的微觀組織進行觀察。

2試驗結果與分析

2.1順逆銑加工表面顯微硬度值及硬化層深度

用斜切法分別對順銑削點1和逆銑削點2進行顯微硬度值測量，得到如圖3所示曲線。從圖3可以看出，順逆銑顯微硬度在表面下深度的變化趨勢基本一致，最大顯微硬度都出現在已加工表面下4～8 μm處，在表面很淺的深度層內顯微硬度略微上升，達到一個峰值，然后呈下降趨勢，趨于材料基體硬度值，即加工表面呈現表面硬化→硬度強化→趨于基體硬度的過程。逆銑削點2的表面層顯微硬度最大值為396 HV0.2，硬化層深度為21 μm；順銑削點1的表面層顯微硬度最大值為387 HV0.2，硬化層深度為15 μm；逆銑削點2的表面顯微硬度和硬化層深度均比順銑削點1大。

圖3　順逆銑顯微硬度曲線

在逆銑時，銑削力由小變大，銑削厚度從零開始逐漸增大，銑刀刃口存在鈍圓半徑，造成開始時前角為負值，刀齒在過渡表面上擠壓、滑行，刀具后刀面對已加工面的作用力增大，塑性變形大，使試件表面產生嚴重加工硬化，也導致試件表面加工硬化層深度增大；同時受擠壓銑削溫度影響，呈現如圖3逆銑所示的顯微硬度值略微上升，然后下降趨于基體硬度的顯微硬度曲線。順銑時，銑削力由大變小，銑削厚度從最大開始逐漸變小，即使銑刀刃口存在鈍圓半徑，也不會出現負前角情況，降低了刀具后刀面對已加工面的大作用力，避免了刀齒在加工表面上嚴重的擠壓、滑行現象，塑性變形小，試件表面因擠壓導致的加工硬化變小，加工硬化層深度也相應變小，同時受擠壓銑削溫度影響，呈現如圖3逆銑所示的顯微硬度值略微上升，然后下降趨于基體硬度的顯微硬度曲線；因此，順銑比逆銑加工表面顯微硬值小，硬化層深度也相應小。

2.2 新刀順銑加工表面顯微硬度及硬化層深度

用斜切法分別對新刀一次銑削點1和二次銑削點3進行顯微硬度值測量，得到如圖4所示曲線。從圖4可以看出，新刀一次銑削和后刀面二次擠壓銑削加工，顯微硬度在表面下的變化趨勢不同，新刀一次銑削點1的最大顯微硬度出現在已加工表面下4～8 μm處，在表面很淺的深度層內顯微硬度略微上升，達到一個峰值，然后呈下降趨勢，趨于材料基體的硬度值，即加工表面呈現表面硬化→硬度強化→趨于基體硬度的過程。新刀二次銑削點3的最大顯微硬度出現在已加工表面上，然后呈小幅振蕩下降，趨于材料基體硬度值，即加工表面呈現表面硬化→振蕩下降趨于基體硬度的過程。新刀一次銑削點1的表面層顯微硬度最大值為387 HV0.2，硬化層深度為15 μm；新刀二次銑削點3的表面層顯微硬度最大值為388 HV0.2，硬化層深度為24 μm；新刀一次銑削硬化層深度略小于新刀二次銑削硬化層深度，但新刀二次銑削表面硬度最大值出現在表面上，新刀一次銑削表面硬度最大值出現在4～8 μm處。

鈦合金TB6中的β相為體心立方結構，彈性模量小，塑性變形能力強，試件已加工面材料在一次刀刃銑削時，較高的塑性使加工后的瞬間又隨即產生高的回彈量，當已加工表面層材料回彈后，繼續與后刀面摩擦。刀—工接觸區(銑削刃與銑削試件已加工面的接觸區)對試件表面產生了法向壓力和摩擦力，法向壓力和摩擦力易導致彈性變形和塑性變形，在試件表面形成加工硬化，并產生一定深度的加工硬化層。銑削過程中，由于鈦合金TB6熱導率低，刀刃與試件間擠壓摩擦產生的熱量積聚在試件表面刀—工接觸區，銑削熱一部分被切屑帶走，一部分由切削液冷卻，剩余的銑削熱使鈦合金表層金屬出現軟化現象，銑削熱在表層很淺的深度內被保留一段時間，并逐漸傳撒，在切削液快速致冷作用下，顯微硬度由表及里逐漸降低；同時擠壓后的已加工表面材料彈性回復，二者共同作用導致試件在表層較淺的深度范圍顯微硬度呈下降趨勢，呈現如圖4所示的一次銑削所示的顯微硬度值略微上升，然后下降趨于基體硬度的曲線。

圖4　新刀銑削顯微硬度曲線

試件在第1次銑削加工后，材料自身變形回彈量小，當旋轉過來的刀刃后刀面第2次擠壓銑削時，新刀鋒利導致的擠壓變形回彈量小，銑削刃鈍圓半徑遠遠大于回彈量，鈍圓半徑再次將回彈量進行擠壓拉伸，硬化層深度在第1次銑削的基礎上總體上略微增大，在一次銑削時導致的預先硬化層中已有硬化位錯源，舊的位錯繼續運動，晶粒纖維化和晶格扭曲加大，表面硬化繼續加重，硬化層深度增大；因此，新刀二次銑削時，呈現如圖4二次銑削所示的顯微硬度最大值出現在表面，然后小幅振蕩下降趨于基體硬度的曲線。

2.3磨損刀順銑加工表面顯微硬度及硬化層深度

用斜切法分別對磨損刀一次銑削點1和二次銑削點3進行顯微硬度測量，得到如圖5所示曲線。從圖5可以看出，磨損刀一次銑削和二次銑削加工，顯微硬度值在表面下的變化趨勢基本相似，磨損刀一次銑削點1的最大顯微硬度出現在已加工表面下9～24 μm處，在表面很淺的深度層內顯微硬度急劇上升，達到顯微硬度峰值，然后呈振蕩下降趨勢，趨于材料基體硬度值，即加工表面呈現表面硬化→硬度強化→振蕩下降趨于基體硬度的過程。磨損刀二次銑削點3的最大顯微硬度出現在已加工表面下15～21 μm處，在表面出現加工熱軟化，而后顯微硬度振蕩上升，達到顯微硬度峰值后，呈振蕩下降趨勢，趨于材料基體硬度值，即加工表面呈現表面熱軟化→硬度強化→振蕩下降趨于基體硬度的過程。磨損刀一次銑削點1的表面顯微硬度值為381 HV0.2，表面下最大顯微硬度值為403 HV0.2，硬化層深度為81 μm；磨損刀二次銑削點3的表面顯微硬度值為366 HV0.2，表面下最大顯微硬度值為387 HV0.2，硬化層深度為55 μm；磨損刀一次銑削硬化層深度大于磨損刀二次銑削硬化層深度，磨損刀二次銑削表面出現軟化。

在刀具后刀面磨損量VB=0.3 mm的嚴重情況下，刀—工接觸區增大，刀具與己加工表面的擠壓和摩擦加劇，刀—工接觸區對試件表面產生了法向壓力和摩擦力較大，試件表層的塑性變形增大，使晶粒拉長、歪扭，甚至晶粒破碎，位錯密度增加，顯微硬度和硬化層深度增大；同時，由于刀—工接觸區擠壓和摩擦強烈，產生的銑削熱也相應增大，由于鈦合金TB6熱導率低，刀—工接觸區大，切削液難于進入刀—工接觸區，切削液對刀—工接觸區冷卻作用減小，刀—工接觸區大量積聚的銑削熱使鈦合金表層金屬出現軟化。擠壓、摩擦強化和銑削熱導致的軟化共同作用結果，在磨損刀具一次銑削時，表面顯微硬度值略大于基體硬度。銑削熱在表層很淺的深度內被保留一段時間，并逐漸傳散，嚴重擠壓后的已加工表面材料彈性回復，二者共同作用導致試件在表層較淺的深度范圍顯微硬度振蕩下降，呈現如圖5所示的一次銑削顯微硬度曲線。

圖5　磨損刀銑削顯微硬度曲線

試件與磨損刀刃經過第1次強烈擠壓摩擦銑削，試件加工變形后的自身彈性回彈較大，當磨損刀刃旋轉過來第2次與已加工表面再次擠壓銑削時，銑削刃鈍圓半徑以上部分被切除，鈍圓半徑以下部分再次擠壓，因磨損刀后刀面出現的凹凸不平和坑洼，此時銑削擠壓作用增強，塑性變形也增大，硬化層深度在第1次銑削基礎上增大；同時，有部分材料在強烈的摩擦力擠壓作用下，從表面擦落，試件已加工面表層材料因刀刃切除、擦落和再次塑性變形引起硬化層深度增加，二者綜合作用的結果是，磨損刀二次銑削時硬化層深度減小。鈦合金TB6中的β相為體心立方結構，與面心立方的α相相比，滑移系很多，位錯開動容易，磨損刀在一次銑削時導致的硬化位錯，經二次銑削，位錯繼續開動、滑移、增殖，在晶粒內部，位錯移動遇到α相障礙物時，要么繞過它，要么切過它，否則就在相界面造成位錯塞積，晶界上的α相與β相之間的過渡區成為薄弱環節，晶界發生開裂、破碎，纖維化和晶格扭曲加大，位錯堆積增殖造成嚴重加工硬化；刀—工接觸區擠壓和摩擦產生的大量銑削熱積聚，銑削熱傳散不出去，高的銑削溫度使鈦合金表層金屬出現熱軟化，熱軟化大于擠壓強化，二者綜合作用，出現表面熱軟化。同時導致試件在表層較淺的深度范圍顯微硬度的振蕩上升和振蕩下降，呈現如圖5二次銑削所示的顯微硬度曲線。

3結語

通過對鈦合金TB6的順逆銑、新刀和磨損刀的一次銑削、二次銑削等對加工硬化的試驗研究與分析，得到如下結論。

1)鈦合金TB6在銑削速度vc=60 m/min、每齒進給量fz=0.06 mm/r和軸向切深ap=0.5 mm加工條件下，新刀加工硬化小，加工硬化層深度<25 μm，磨損刀加工硬化大，加工硬化層深度最高可達81 μm。

2)鈦合金TB6順銑比逆銑加工硬化小，加工硬化層深度相應小；新刀比磨損刀銑削鈦合金TB6導致的加工硬化及硬化層深度小。

參考文獻

[1] 張平平，王慶娟，高頎，等. 高強β鈦合金研究和應用現狀[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(14):51-54.

[2] Wyen C F, et al. Influence of cutting edge radius on surface integrity and burr formtion in milling titanium[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 14: 1-11.

[3] 范繼美,萬光珉.位錯理論及其在金屬銑削加工中的應用[M].上海:上海交通大學出版社，1991.

[4] 耿瓊，解麗靜，王西彬.硬態切削高強度鋼表面完整性的研究[J].新技術新工藝，2013(3)：60-64.

[5] 陳建玲. 鈦合金高速銑削加工機理及銑削參數優化研究[D].濟南：山東大學，2009.

責任編輯鄭練

The Research of Milling Pattern to Work Hardening of Titanium Alloy TB6

LI Chuanqi

(Study on Eighth China Electronic Science and Technology Group, Huainan 232001, China)

Abstract：TB6 titanium alloy with high strength and toughness is like beta titanium alloy, and it has good casting, forging and hardenability. The present application of it is very extensive. Experiments on titanium alloy TB6 (Ti-10V-2Fe-3Al) working hardening and working hardening layer depth are studied by down or up milling, with first milling or quadratic milling in a new tool or the wear tool. The results show that titanium alloy TB6 is milled in carbide cutting tools and down milling in work hardening. The work hardening layer depth is smaller than up milling, new tool in work hardening is smaller than wear tool, the work hardening layer depth is less than 25 μm in new tool; the work hardening layer depth is up to 81 μm and quadratic milling causes the machined surface softening when tool flank wear VB is 0.3 mm.

Key words:down milling and up milling, tool wear, surface work hardening, titanium alloy TB6

收稿日期：2015-01-06

作者簡介：李傳奇(1975-)，男，工程師，碩士，主要從事光纖光纜專用設備的設計等方面的研究。

中圖分類號：TG 548

文獻標志碼:A