高速铣削TC21钛合金的加工表面完整性分析

冀 翔

沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司

高速铣削TC21钛合金的加工表面完整性分析

冀 翔

沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司

钛合金总产量的约80%用于航空航天领域，主要用来制造机身的结构部件、航空发动机零部件、起落架、液压系统等。钛合金在加工中切削效率低、刀具磨损严重、尺寸精度和表面质量差。因此，在保证刀具耐用度和加工质量的前提下，发展高材料去除率的机械加工技术迫在眉睫。本文分析了铣削用量和刀具磨损对加工质量的影响，为钛合金的加工工艺提供数据支持。

钛合金加工；刀具磨损

表面完整性是指已加工表面的表面纹理和表面层冶金质量，又称表面层质量。表面纹理主要包括表明粗糙度、表面波纹度、刀纹方向、宏观裂纹、折皱和撕裂等；表面层冶金质量主要包括显微结构变化、再结晶、晶间腐蚀、显微裂纹、塑性变形、残余应力、合金贫化等，表面层是指受加工影响而在零件表面下一定深度处产生的受扰材料层，表面层的深度通常仅为百分之几毫米，只有在特殊的加工条件下深度可达0.3mm左右。

切削工艺会影响到最终成品零件的表面完整性，加工过程中的切削力和高温环境的共同作用会导致零件微观结构的改变，进而引起显微硬度，晶界塑性变形，以及零件表面下的残余应力的变化，这些最终会导致零件变形或降低其的疲劳寿命。钛合金零件的表面完整性对其疲劳强度具有巨大的影响，表面的加工缺陷是疲劳裂纹导致零件失效的主要诱发源，在铣削加工中，这些缺陷主要有表面粗糙度、加工变质层等。

1.铣削用量和刀具磨损对表面粗糙度的影响

表面粗糙度是零件微观几何形状误差的表现，其大小主要影响零件的耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性、接触刚度以及配合性质的稳定性等。在加工过程中，由于刀具与已加工表面的摩擦，切削挤压的塑性变形，以及工艺系统的高频振动等因素的相互作用，使已加工表面产生微观几何变形。本次试验主要考察表面粗糙度受铣削用量和刀具磨损状态的影响。

图1.1a和图1.1b为在铣削TC21时铣削速度对表面粗糙度的影响。在常规铣削时所用的其他铣削用量为：

fz=0.1mm/z，αe=2mm，αp=3mm；在高速铣削时所用的其他铣削用量为：fz=0.1mm/z，αe=1mm，αp=3mm。由图可见，表面粗糙度值无论是在垂直于进给方向还是平行于进给方向，总体上都呈现随铣削速度升高而略有减小的趋势，即随着切削速度的提高，表面粗糙度呈下降的趋势。高速时的表面粗糙度比低速时的略小，但在试验用速度范围内的表面粗糙度都满足切削加工的要求。

图1.1c和图1.1d为刀具磨损VB=0.27mm时铣削TC21的表面粗糙度随铣削速度的变化曲线。试验所用铣削用量同上。由图可见，表面粗糙度随铣削速度增加并没有单调增加或减小的规律，与图1.1a和图1.1b相比，当刀具磨损发展到一定程度时，表面粗糙度值与采用新刀具加工所得的表面粗糙度值已经不在一个数量级上，显然，刀具磨损对表面粗糙度的影响深远。

2.铣削用量和刀具磨损对工件表面加工硬化的影响

加工硬化是指随着冷变形程度的增加，金属材料的强度和硬度都有所提高，但塑性和韧性有所下降。加工硬化发生时，晶粒发生滑移，出现位错缠结，晶粒被拉长、破碎和纤维化，从而引起被加工表层材料脆而硬，进一步加速刀具磨损、增大切削力等，最终不利于切削加工的顺利进行。

图1.1 铣削速度对表面粗糙度的影响

图2.1a和图2.1b为在铣削TC21时铣削速度对工件表面加工硬化的影响。由图可见，无论是常规铣削还是高速铣削，都没有明显的加工硬化层(白层)出现，铣削速度的提高不会对材料的加工硬化产生显著的影响。通常认为，一方面切削速度提高引起的温升有助于冷硬的回复；另一方面切削速度提高使刀具和工件的接触时间变短，塑性变形程度减小，这两负面的原因会导致工件材料硬度降低，然而，切削速度的提高会加剧刀具的磨损，恶化刀具与工件的挤压与摩擦状况，容易导致工件表面层材料硬化，综合因素的影响下，随铣削速度的提高对工件表面加工硬化的影响并不显著。相反可见，在铣削速度为30m/min和50m/min时，工件表面的显微硬度值要比工件材料基体的显微硬度值略低，这一结论与之前一些研究学者的所得的结果一致，即切削加工不仅会导致工件材料的硬化，而且还会引起工件材料的软化。

图2.1 铣削速度对工件表面加工硬化的影响

图2 .1c和图2.1d为不同的刀具磨损状态(VB≈0.3mm)采用与图1.1c和图1.1d相同铣削速度时的工件表面加工硬化随铣削速度的变化曲线。与图1.1c和图1.1d相比，当刀具磨损到一定程度时，工件表面的显微硬度值总体上略有升高，但都在基体材料显微硬度值范围内。

在试验中采用三种硬质合金刀片，分别为：①无镀层硬质合金ISO标准的K10；②无镀层细晶粒硬质合金ISO标准的K40；③镀层硬质合金ISO标准的N15。这三种刀片具有相同的几何参数。当VB＜0.1mm时，三种刀具材料所得的铣削力没有太大区别。当VB＞0.1mm时，采用K40和N15的铣削力要比使用K10高出很多，显然，细化刀具材料的晶粒和使用涂层并不利于降低铣削力铣削力。当后刀面平均磨损量达到0.25mm时，采用K10铣削TC21，铣削力为2200N，而采用K40和N15铣削时，铣削力分别为3300N和2700N，从铣削力的试验结果来看，刀片K10更适用于铣削TC21。

结论

通过试验研究了铣削用量、刀具磨损和刀具材料对铣削力的影响，随着铣削用量的增加铣削力呈现不同程度的增加。进一步了解到刀具磨损对铣削力的影响也比较显著。最后分析了几种不同牌号刀具的刀具耐用度和刀具磨损状态，相较于N15和K40而言，K10更适合铣削加工TC21钛合金且具有经济性。

[1]黄旭，朱知寿，王红红.先进航空钛合金材料与应用.北京：国防工业出版社，2012.