高速銑削參數對TC17鈦合金表面變質層的影響

譚 靚，張定華，姚倡鋒

(西北工業大學 現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室，西安 710072)

高速銑削參數對TC17鈦合金表面變質層的影響

譚 靚，張定華，姚倡鋒

(西北工業大學 現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室，西安 710072)

為優化TC17鈦合金球頭銑刀高速銑削參數和為控制表面變質層提供實驗依據，采用中心復合響應曲面法，建立表面粗糙度預測模型，采用方差分析對模型和輸入參數的顯著性進行檢驗，分析銑削參數對表面粗糙度的影響規律，同時對高、中、低三種銑削參數水平下的殘余應力、顯微硬度和微觀組織進行檢測。結果表明：該模型可以有效預測球頭銑刀高速銑削TC17鈦合金后的表面粗糙度，每齒進給量和銑削寬度對表面粗糙度影響顯著；銑削后表面為殘余壓應力狀態，隨著銑削參數水平的增大，表面殘余壓應力增大，殘余壓應力層在20 μm左右；表層顯微硬度經歷了“熱軟化-加工硬化-趨于穩定”的過程；表層晶粒出現了破碎、彎折，塑性變形層厚度約為10 μm。

TC17鈦合金；高速銑削參數；表面粗糙度；殘余應力；顯微硬度；微觀組織

TC17是一種富含β穩定元素的α+β兩相鈦合金，具有比強度高、韌性和淬透性好、斷裂韌度和抗蠕變性良好、鍛造溫度范圍寬等一系列優點，被廣泛用于制造航空發動機風扇、壓氣機盤件和大截面的鍛件，最高使用溫度可達427 ℃[1]。TC17鈦合金強度大、硬度高，是典型的難加工材料，在銑削過程中，單位面積切削力大、切削溫度高、切屑極易黏附在切削刃上導致刀具快速磨損、破損[2-3]。上述問題會嚴重破壞構件加工表面變質層的均勻性。表面變質層是指在構件表層形成的微力學性能和微觀組織結構沿深度方向變化的薄層；當深度為零時，表征為表面粗糙度和表面形貌，當深度不為零時，表征為殘余應力場、顯微硬度場和微觀組織等。航空發動機整體葉盤/葉片具有薄壁、寬弦、彎掠特征，通常采用球頭銑刀進行最終自由曲面的精加工[4]，銑削后表面變質層的厚度僅有幾十微米[5-6]。在球頭銑刀銑削加工過程中，表面變質層特征參量與銑削參數有著密切的聯系，因此研究球頭銑刀高速銑削參數對表面變質層的影響是十分必要的。

目前國內外學者積極地研究了銑削參數對鈦合金表面變質層特征參量的影響。Rao等[7]發現Ti-6Al-4V端銑后表層深度40 μm內為殘余壓應力狀態。Hood等[8]發現球頭銑刀高速銑削γ-TiAl合金后，表面粗糙度Ra為0.3～0.6 μm，硬化層深度約為300 μm，切削速率對微觀組織層狀彎曲影響明顯；同時針對球頭銑刀高速銑削Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C，研究發現表面顯微硬度比基體(約370HK0.025)提高80HK0.025，硬化層深度約為500 μm[9]。針對TC4鈦合金，楊振朝等[10]研究發現主軸轉速對表面粗糙度影響顯著，對顯微硬度和微觀組織影響不明顯；李軍等[11]發現銑削表面均為殘余壓應力狀態，且隨著銑削速率、每齒進給量、銑削寬度和銑削深度的增大呈增大趨勢。針對TB6鈦合金，史愷寧[12]和官椿明等[13]研究發現，每齒進給量對表面粗糙度和殘余應力影響最大，隨著每齒進給量的增大，表面粗糙度和表面殘余壓應力也隨之增大；Yao等[14]發現切削速率在100～140 m/min，每齒進給量在0.02～0.06 mm/z范圍內時，表面粗糙度Ralt;0.8 μm。

目前國內外主要開展了TC4，TB6，γ-TiAl等鈦合金銑削加工表面完整性的研究，針對TC17鈦合金高速銑削表面變質層的研究相對較少。本研究采用響應曲面法進行銑削實驗，并對表面變質層特征參量(表面粗糙度、殘余應力、顯微硬度和微觀組織)進行測試，開展高速銑削參數對TC17鈦合金表面變質層的影響研究。

1 實驗材料及方法

1.1實驗材料

實驗中采用TC17鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，主要化學成分為4.5%～5.5% Al，1.6%～2.4% Sn，1.6%～2.4% Zr，3.5%～4.5% Mo，3.5%～4.5% Cr，余量Ti。室溫下屈服強度為1030 MPa，抗拉強度為1120 MPa[1]。熱處理工藝為360 ℃/30 min；550 ℃/3～4 h；空冷。試樣尺寸為20 mm×20 mm×15 mm。

1.2實驗方法及設備

銑削實驗在MIKRON UCP 1350五坐標數控機床上進行，主軸功率24 kW，主軸轉速0～15000 r/min，最大進給速率15 m/min。刀具為四刃整體硬質合金φ7球頭銑刀，刀具前角3°、第一后角10°、第二后角25°、螺旋角40°，刀具懸長為40 mm。銑削方式為固定軸順銑，刀軸轉角為30°(進給方向順時針旋轉)，刀軸傾角為30°(與試樣法線夾角)，切削深度0.3 mm，乳化液冷卻。

以切削速率、每齒進給量和切削寬度為自變量，采用三因子三水平的中心復合面心設計(CCF)響應曲面法實驗，實驗組數20組。自變量編碼值和真實值見表1，其中切削速率是指名義切削速率(vc=πdn)，自變量編碼值可根據式1求得。

Xi=(xi-x0)/Δx

(1)

式中：Xi為自變量編碼值；xi為自變量真實值；x0為實驗中心點處自變量的真實值；Δx為自變量真實值的變化步長。

表1 銑削參數編碼值和真實值Table 1 Coded value and actual value of milling parameters

1.3表面變質層測試方法

采用MarSurf XR20輪廓儀沿進給和切寬方向對試樣表面粗糙度進行測量，取樣長度為0.8 mm，評定長度為5.6 mm；表面形貌采用Vecco NT1100光學輪廓儀進行觀察，分辨率為736×480，觀察面積1.2 mm×0.9 mm；殘余應力采用PROTO LXRD MG2000殘余應力測試分析系統進行測試，測試條件：Cu靶Kα波段，靶電壓25 kV，靶電流30 mA，布拉格角142°，曝光時間2 s，曝光次數10次，焦斑大小φ3 mm，同時采用電解拋光機對試樣進行剝層，測試殘余應力沿深度分布，電解液為甲醇(590 mL)、乙二醇單丁醚(350 mL)和高氯酸(60 mL)的混合溶液；顯微硬度采用FM-800型自動顯微硬度測試儀進行測試，實驗力0.25 N，保載時間10 s，測試前需沿垂直加工面的方向線切割截得樣塊，并進行鑲樣和拋光。在顯微硬度測試試樣上，采用JEOL掃描電鏡進行微觀組織觀察，腐蝕液為氫氟酸(5 mL)、硝酸(25 mL)和水(70 mL)的混合溶液。

2 結果與分析

2.1表面粗糙度預測模型建立

實驗方案及表面粗糙度測試結果見表2。采用多元回歸分析方法對表2中的數據進行處理，獲得以真實值為自變量的表面粗糙度預測模型，如式(2)和式(3)所示。

(2)

(3)

式中：Ra1為進給方向表面粗糙度；Ra2為切寬方向表面粗糙度。

為驗證表面粗糙度預測模型的準確性，對式(2)和式(3)進行方差分析，結果如表3所示。

從表3中可以看出，Ra1和Ra2預測模型中回歸項的P值均小于0.0001，說明模型是極顯著的；失擬項的P值分別為0.1013和0.1044，均大于0.05，說明模型擬合中非正常誤差所占比例小[15]；決定系數R2和校正的決定系數R2均接近于1，說明預測值與測量值非常接近，模型預測精確度較高。因此可以認為建立的表面粗糙度預測模型是有效的。

對式(2)和式(3)中各變量對表面粗糙度的影響顯著性進行檢驗，對于Ra1來說fz和fz2是極顯著的(Plt;0.0001)，ae2是顯著的(Plt;0.05)，其余項為不顯著；對于Ra2來說ae是極顯著的(Plt;0.0001)，vc，fz，fz·ae和fz2是顯著的(Plt;0.05)；其余項為不顯著。分別選擇極顯著項和顯著項對式(2)和式(3)進行簡化，簡化后結果如式(4)和式(5)。模型的簡化將大大降低在工程應用中的數據處理量。

(4)

(5)

表2 實驗方案及表面粗糙度測試結果Table 2 Experimental design matrixes and results of surface roughness

表3 表面粗糙度預測模型方差分析Table 3 Variance analysis of surface roughness model

2.2銑削參數對表面粗糙度和表面形貌的影響

圖1為銑削參數對表面粗糙度的影響曲線。由圖1可以看出，Ra2明顯大于Ra1，但當fz過大時Ra1接近甚至大于Ra2，這主要是由于每齒進給量對進給方向殘留高度的影響占主導，而銑削寬度對切寬方向殘留高度的影響占主導；相對于每齒進給量來說，銑削寬度的數量級較高，對表面粗糙度的影響也大，但是fz過大時刀具會劃擦試樣表面導致表面粗糙度增大。表面粗糙度預測值和實測值的最大相對誤差為28%，在高切削速率、大每齒進給量和小銑削寬度下，預測值和實際值之間的誤差較小，預測結果比較可靠。

由圖1(a)可以看出，切削速率在60～160 m/min范圍內變化時，Ra1變化很小，Ra2略有上升，這是由于切削速率并不是影響已加工表面殘留高度的主要因素；由圖1(b)可以看出，每齒進給量在0.02～0.1 mm/z范圍內變化時，Ra1基本呈線性增大趨勢，Ra2在1.148～1.702 μm范圍內平穩變化，這是由于進給方向殘留高度隨著每齒進給量的增大而增大，另一方面，每齒進給量的增大使得平均切削厚度增加，切削力增大，從而使得表面粗糙度增大；由圖1(c)可以看出，銑削寬度在0.2～0.5 mm范圍內變化時，Ra1基本不變，Ra2呈線性增大趨勢，銑削寬度的增大導致切寬方向殘留高度明顯增大，因此表面粗糙度增大。

選取中心復合響應曲面法實驗設計中-1低銑削參數水平(1#)、0中間銑削參數水平(15#)和+1高銑削參數水平(8#)下的試樣，對三維形貌、殘余應力、顯微硬度和微觀組織進行測試，分析銑削參數水平對表面變質層的影響。圖2為1#、15#和8#實驗條件下的三維表面形貌。球頭銑刀銑削后的形貌為均勻間隔四周高出的盆地形狀，這是由于采用一定的刀軸轉角和刀軸傾角加工時，相鄰兩切削刃切觸區域作用有一定的時間間隔，導致部分材料不能被有效切除，因此波峰和波谷規律性地出現在試樣表面[16]。波峰的高度由銑削深度決定，而波谷的特征與切削振動有關。不同銑削參數下切寬方向波峰之間的距離與切削寬度保持一致，進給方向相鄰軌跡之間的距離與每齒進給量相等[17]。1#實驗條件下試樣表面形貌均勻、緊密，殘留高度較小；隨著銑削參數水平的增大，殘留高度之間變得稀疏且高度值不斷增大。

2.3銑削參數對殘余應力場的影響

圖3為1#、15#和8#實驗條件下獲得的殘余應力沿深度分布曲線。球頭銑刀銑削過程中，試樣在進給方向和切寬方向上受到塑性變形，從而產生機械應力，它與切削溫度產生的熱應力共同決定著銑削后殘余應力的大小及深度[18]。塑性變形使表層產生殘余壓應力，而溫度影響使表層產生殘余拉應力。從圖3可看出，低、中、高三種銑削參數水平下試樣表面均為殘余壓應力狀態，最大殘余壓應力均在表面，隨著深度的增加，殘余壓應力逐漸減小并趨向于穩定。切寬方向的殘余壓應力略大于進給方向的殘余壓應力，隨著銑削參數水平的增大，最大殘余壓應力增大，可達到-257.4 MPa，三種銑削條件下殘余壓應力層深度在20 μm左右。球頭銑刀主要用于曲面類零件的精加工，其較小的切削深度導致低、中、高三種銑削參數水平下銑削力和溫度差異不大，因此殘余應力層深度較淺。

2.4銑削參數對顯微硬度場的影響

圖4為1#、15#和8#實驗條件下獲得的顯微硬度沿深度分布曲線。由圖4可以看出，三種銑削參數水平下，顯微硬度沿深度方向的分布規律是一致的，在表面下10 μm左右顯微硬度最小，隨后又出現加工硬化，最后逐漸趨于穩定，表層顯微硬度梯度分布經歷了“熱軟化-加工硬化-趨于穩定”的過程。三種銑削參數水平下顯微硬度影響層深度差異不大，約為30 μm。TC17鈦合金導熱系數小，在表層下10 μm左右區域聚積了過多的熱量，導致此處顯微硬度最小，呈現出軟化現象，軟化程度約為3.8%。

緊接著在20 μm處顯微硬度迅速升高，這可能是軟化層材料的膨脹對里層材料不斷壓縮，引起位錯密度增加，出現加工硬化現象[10,12]。

2.5銑削參數對微觀組織的影響

圖5為掃描電鏡下觀察的1#、15#和8#試樣表層微觀組織照片。由圖5可以看出，TC17鈦合金基體為網籃組織，在粗大的原始β晶粒內，大量細針狀或長條狀的α相呈一定取向分布，且α相取向多次重復，交錯排列織成網籃狀。表層網籃組織發生了彎折、破碎；隨著銑削參數水平的提高，銑削表面凹凸不平，塑性變形層深度略有增加，但基本在10 μm左右，微觀組織中并未發現α+β相→β相的轉變。

3 結論

(1)采用響應曲面法建立的表面粗糙度預測模型是顯著的，在實驗參數范圍內可用來有效預測TC17鈦合金球頭銑刀高速銑削后表面粗糙度。

(2)銑削后表面形貌為均勻間隔四周高出的盆地形狀，進給方向和切寬方向相鄰棱脊之間的距離分別與每齒進給量和銑削寬度相等；銑削后表面為殘余壓應力狀態，最大殘余壓應力位于表面，約為-250 MPa，殘余壓應力層深度約為20 μm。

(3)表層出現了先軟化后硬化現象，不同銑削參數水平下硬化程度和硬化層深度差別不大；微觀組織為網籃組織，靠近銑削表面出現了破碎、彎折，塑性變形層厚度約為10 μm。

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(責任編輯：徐永祥)

EffectofHigh-SpeedMillingParametersonSurfaceMetamorphicLayerofTC17TitaniumAlloy

TAN Liang，ZHANG Dinghua，YAO Changfeng

(Key Laboratory of Contemporary Design and Integrated Manufacturing Technology，Ministry of Education，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

In order to provide the relatively accurate experimental basis for optimizing parameters and controlling surface metamorphic layer,ball end high-speed milling experiments of TC17 titanium alloy were carried out utilizing one of experimental design techniques based on the response surface methodology.The surface roughness prediction model was built,variance analyses were applied to check the significances of surface roughness model and input parameters,the effect of parameters on surface roughness was analyzed.Meanwhile,the residual stress,microhardness and microstructure under the condition of high,medium and low level of parameters were investigated.Results indicate that the model can predict the surface roughness effectively and feed per tooth and radial depth of cut have an obvious effect on surface roughness.Compressive residual stresses are detected on all milled surfaces and surface residual stresses are increased with the increase of the level of the milling parameters.The compressive residual stress layer is approximately 20 μm regardless of milling parameters level used.The process of thermal softening,then work hardening,and finally tending to stabilize are observed in the microhardness profiles.Grains of the surface layer are broken and bent,the thickness of plastic deformation layer is approximately 10 μm.

TC17 titanium alloy;high-speed milling parameters;surface roughness;residual stress;microhardness;microstructure

10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000101

TG54

A

1005-5053(2017)06-0075-07

2017-06-30；

2017-08-21

973項目資助

姚倡鋒(1975—)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事表面完整性、高速切削技術、抗疲勞制造技術方面研究， (E-mail) chfyao@nwpu.edu.cn。