銑削參數對Ti65高溫鈦合金表面粗糙度/殘余應力/硬度的影響規律：每齒進給量是表面粗糙度首要影響因素,銑削速度與每齒進給量主導殘余壓應力變化,構建多參數-多響應關聯模型,為航空發動機高壓壓氣機部件銑削工藝制定提供科學支撐

引言

鈦合金憑借其優異的比強度、耐熱性和耐腐蝕性能，成為航空發動機和機體結構件的首選材料。Ti65高溫鈦合金是以Ti60鈦合金為基礎，通過提高鉭元素含量、降低鉬和鈮元素含量并加入鎢元素而研制的a型鈦合金，在高溫環境下能保持良好的力學性能和穩定的化學性質，能夠滿足航空航天領域對材料在極端工況下的苛刻要求，被用于制造航空發動機靠近燃燒室部位的高壓壓氣機葉片、葉盤以及相應機匣等部件[1-2]。然而，鈦合金固有的低熱導率、高化學活性和低彈性模量等特點使其成為一種典型的難加工材料。在銑削加工過程中，這些特性會導致切削力大、切削溫度高、刀具磨損等問題,影響到工件的表面完整性，最終影響零件的疲勞性能和服役壽命。

工件銑削加工后的表面完整性受進給量、銑削速度、銑削深度等銑削加工參數影響。提高銑削速度可以提高加工效率,但過高的速度會導致溫度急劇上升，引發加工硬化、出現殘余拉應力甚至表面燒傷等問題。提高銑削力會增大Ti60高溫鈦合金表面殘余壓應力和殘余應力影響層深度[3]。雷勇等[4]研究發現,進給速度對TC17鈦合金表面粗糙度的影響最大，徑向切削深度次之，銑削速度最小。譚靚等研究發現,球頭刀銑削TC17鈦合金的表面粗糙度受進給速度和銑削寬度的影響較大。姚倡鋒等[6]研究了高速銑削工藝對TC11鈦合金加工表面粗糙度和表面形貌的影響規律，發現銑削速度和每齒進給量配比對表面形貌影響較大。MHAMDI等[7]研究發現,進給速度對Ti-6Al-4V合金凹曲面銑削表面粗糙度和形貌影響最大。

目前,鈦合金銑削加工研究多集中在常規鈦合金(如TC17鈦合金)上，對Ti65高溫鈦合金的加工特性研究相對較少。此外，在多參數耦合作用對表面完整性的影響方面，研究還不夠系統和完善。為此,作者對Ti65高溫鈦合金進行了銑削試驗,研究了每齒進給量、銑削速度、銑削寬度和銑削深度對加工表面粗糙度、殘余應力和硬度的影響，以期為改善Ti65鈦合金加工表面質量、推進“以鈦代鎳”奠定理論基礎。

1試樣制備與試驗方法

試驗材料為Ti65高溫鈦合金,由中國科學院金屬研究所提供,通過3次真空熔煉→鍛造→1019℃x 2h熱處理,空冷→(700℃5h)熱處理,空冷制備而成,其化學成分(質量分數/%)為5.75Al,4.0Sn,3.5Zr,0.5Mo,0.3Nb,1.0Ta,0.4Si,0.8W,0.055C,余Ti。合金的抗拉強度為1214MPa,屈服強度為1107MPa,斷后伸長率為9.8%,斷面收縮率為13.3%。

制取尺寸為40mm50mm60mm的銑削試樣,采用VMC850型立式數控加工中心進行銑削試驗,銑刀為氮鋁化鈦涂層硬質合金刀具,銑刀直徑為12mm,齒數為4,螺旋角為35°,選擇每齒進給量、銑削速度、銑削寬度和銑削深度為試驗因素,表面粗糙度、表面殘余應力和表面硬度為響應，設計正交試驗,參數設置見表1。

表1正交試驗參數

Table 1 Orthogonal test parameters

銑削后,采用 MarSurf XT20型接觸式粗糙度測量儀測試表面粗糙度,每組試樣測5次,統計表面粗糙度  R_a (特征輪廓的算術平均偏差)和  R v (最大輪廓谷深)。采用 Proto LXRD MG2000型X射線衍射應力儀測試表面殘余應力,銅靶,  K α 射線,電壓為 25kV,電流為30mA;測試不同深度殘余應力時,對試樣進行電化學腐蝕剝層處理,腐蝕介質為體積比 1: 5:

19的氫氟酸、硝酸和水,電壓為30V,電流為0.3A,逐層腐蝕,每層深度為3μm。采用 Wilson 430SVD型維氏硬度計測試表面硬度，測3點取平均值。垂直加工表面沿切削進給方向取樣,拋磨后,采用Future-Tech FEM-8000型顯微硬度計測試切削亞表層硬度,載荷為0.245N,保載時間為10s,測試點間距為5μm,同一深度測3次取平均值。

2、試驗結果與討論

2.1對表面粗糙度的影響

每齒進給量、銑削速度、銑削寬度、銑削深度各水平的表面粗糙度  R a 的極差分別為0.859,0.025,0.143,0.240μm,表面粗糙度  R v 的極差分別為2.343,0.114,0.120,0.522μm。由極差判斷,對表面粗糙度  R a 和  R v 的影響程度按由大到小排序依次為每齒進給量、銑削深度、銑削寬度、銑削速度。

基于試驗數據建立銑削工藝參數對表面粗糙度的影響模型,方程為

式中:  f z 為每齒進給量;  v c 為銑削速度;  a e 為銑削寬度;  a p 為銑削深度。

2.2對殘余應力的影響

基于試驗數據建立銑削工藝參數對表面殘余應力的影響模型,方程為

式中:  σ 1 為平行于銑削進給方向的表面殘余應力;  σ 2 為垂直于銑削進給方向的表面殘余應力。

2.3對硬度的影響

基于試驗數據建立銑削工藝參數對表面硬度的影響模型,方程為 

式中:H為表面硬度。

3、結論

(1)對銑削加工Ti65高溫合金表面粗糙度的影響程度按由大到小排序依次為每齒進給量、銑削深度、銑削寬度、銑削速度。隨著每齒進給量和銑削深度增加，表面粗糙度增大;隨著銑削速度增加或銑削寬度減小，表面粗糙度略減小但變化不顯著。

(2)不同銑削工藝參數下銑削加工Ti65高溫合金后,平行于和垂直于銑削進給方向的表面殘余應力均為壓應力。每齒進給量和銑削速度對表面殘余應力的影響較大，銑削寬度和銑削深度的影響較小。隨著每齒進給量增加、銑削速度減小，表面殘余壓應力減小;隨著銑削寬度和銑削深度增加,表面殘余壓應力無明顯變化。

(3)銑削深度對銑削加工Ti65高溫合金表面硬度的影響最大，每齒進給量和銑削速度次之，銑削寬度最小;隨著銑削深度、每齒進給量、銑削速度和銑削寬度增加，表面硬度增大。

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（注，原文標題：銑削工藝參數對Ti65高溫鈦合金加工表面完整性的影響）