旋轉(zhuǎn)超聲銑削工藝參數(shù)對(duì)TC18鈦合金方塊表面粗糙度及疲勞壽命的協(xié)同調(diào)控研究——明確最優(yōu)銑削參數(shù)，揭示超聲能量攝入對(duì)疲勞強(qiáng)化的作用機(jī)制，支撐航空用鈦合金材料抗疲勞制造

引言

超聲振動(dòng)銑削是利用超聲波使刀具在自轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行高頻振動(dòng)，將材料先擊碎?再去除，刀具與工件被加工表面斷續(xù)接觸，有利于切削液的流動(dòng)，充分發(fā)揮潤(rùn)滑冷卻作用，有效減少銑刀?切屑和工件間的摩擦，大大降低被加工工件表面宏觀切削力，顯著提高加工表面的精度和質(zhì)量。該方法被廣泛應(yīng)用于鈦合金?硬脆材料和纖維復(fù)合材料等難加工材料的加工[1-3]。

鈦合金因其優(yōu)異的比強(qiáng)度?比剛度和耐腐蝕特性在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展前景。但是，由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小?表面硬化嚴(yán)重等原因，在加工過(guò)程中易發(fā)生變形，嚴(yán)重影響其加工精度，導(dǎo)致了鈦合金零件疲勞壽命的降低[4-5]。針對(duì)航空鈦合金零件的抗疲勞制造需求，提出了采用旋轉(zhuǎn)超聲銑削方法，實(shí)現(xiàn)抗疲勞制造，為縮短鈦合金零件的制造周期，實(shí)現(xiàn)其高精?高效?高質(zhì)量加工提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本文開(kāi)展鈦合金的基礎(chǔ)銑削實(shí)驗(yàn)，并以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)開(kāi)展旋轉(zhuǎn)超聲銑削TC18鈦合金疲勞性能實(shí)驗(yàn)研究。

1、傳統(tǒng)加工參數(shù)對(duì)鈦合金表面粗糙度的影響

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究傳統(tǒng)加工參數(shù)對(duì)鈦合金表面粗糙度的影響以及明確后續(xù)鈦合金疲勞實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件的加工參數(shù)，開(kāi)展鈦合金銑削正交實(shí)驗(yàn)。鈦合金銑削實(shí)驗(yàn)在MCVL850數(shù)控加工中心上進(jìn)行，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所采用的超聲設(shè)備為陜西智遠(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)，如圖1(a)所示。加工過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)超聲電源來(lái)控制刀具振幅，如圖1(b)所示。振幅可選范圍為0~4μm，固定頻率為20kHz。

實(shí)驗(yàn)所用材料為TC18鈦合金，采用電火花線切割技術(shù)將鈦板加工成12mm×12mm×5mm的方塊試件，數(shù)字模型及實(shí)際樣件如圖1(c)所示，銑削刀具為AL-4E-D8.0硬質(zhì)合金立銑刀。正交實(shí)驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速選擇范圍為2000r/min~5000r/min，進(jìn)給速度為60mm/min~90mm/min，切削深度為0.2mm~0.5mm。具體銑削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

為了明確不同加工工藝參數(shù)對(duì)鈦合金表面粗糙度的影響規(guī)律，選取線輪廓粗糙度Ra作為粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)，每組試件的表面隨機(jī)測(cè)量50次，取50次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該加工工況下表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)值。實(shí)驗(yàn)采用KEYENCEVK-XX100形狀測(cè)量激光顯微鏡測(cè)量拍攝，形狀測(cè)量激光顯微鏡如圖2所示。形貌觀測(cè)前將試件放入盛有蒸餾水和無(wú)水乙醇的燒杯中利用超聲波清洗儀進(jìn)行清洗，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干所有試件備用。

表1表面粗糙度正交實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

進(jìn)給速度為80mm/min?切削深度為0.3mm時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min變化到5000r/min，得到的主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鈦合金表面粗糙度的影響規(guī)律如圖3所示。由圖3可以看出：隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，試件表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)；主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)，表面粗糙度高達(dá)1.94μm；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加至3000r/min和4000r/min時(shí)，表面粗糙度分別下降至1.64μm和1.58μm；然而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加到5000r/min時(shí)，表面粗糙度值提高至1.72μm。

隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，銑刀側(cè)刃與切削工件的接觸頻率增加，金屬切削效率提高，同時(shí)切削區(qū)溫度變高，使得表面金屬層軟化效應(yīng)加劇，積屑瘤減少，塑性形變減小，試件表面粗糙度呈減小趨勢(shì)。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5000r/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速接近機(jī)床的極限轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致機(jī)床加工的振動(dòng)頻率接近加工系統(tǒng)的模態(tài)頻率，使得粗糙度重新增加。因此后續(xù)鈦合金銑削實(shí)驗(yàn)的主軸轉(zhuǎn)速確定為4000r/min。

1.2.2進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min?切削深度為0.3mm時(shí)，進(jìn)給速度由60mm/min變化到90mm/min，得到的進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可知：隨著進(jìn)給速度增加，表面粗糙度隨之增加；當(dāng)進(jìn)給速度為60mm/min?70mm/min和80mm/min時(shí)，粗糙度分別為1.63μm?1.67μm和1.71μm，粗糙度增加趨勢(shì)較為平緩且均勻；當(dāng)進(jìn)給速度增加至90mm/min時(shí)，表面粗糙度出現(xiàn)較為明顯的增加趨勢(shì)，此時(shí)粗糙度高達(dá)1.84μm。

隨著進(jìn)給速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)的徑向切削深度增大，使得材料去除率和切削力增加，同時(shí)試件的殘留面積增大，導(dǎo)致表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的增加而增加。當(dāng)進(jìn)給速度增加到90mm/min時(shí)，切削過(guò)程中刀具對(duì)試件的旋轉(zhuǎn)力矩以及進(jìn)給方向沖擊力相應(yīng)增大，使得加工條件發(fā)生惡化，導(dǎo)致表面粗糙度增加幅度較大。考慮到加工效果的穩(wěn)定性以及實(shí)際工程需要，將后續(xù)鈦合金銑削實(shí)驗(yàn)的進(jìn)給速度確定為80mm/min。

1.2.3切削深度對(duì)表面粗糙度的影響

主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min?進(jìn)給速度為80mm/min時(shí)，切削深度由0.2mm變化到0.5mm，得到的切削深度對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律如圖5所示。由圖5可以看出：隨著切削深度增加，試件表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)；切削深度為0.2mm時(shí)，表面粗糙度為1.65μm；當(dāng)切削深度增加至0.3mm時(shí)，表面粗糙度略微下降；當(dāng)切削深度由0.3mm增加至0.4mm?0.5mm時(shí)，表面粗糙度分別為1.63μm?1.73μm和1.77μm，表面粗糙度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

當(dāng)切削深度為0.2mm時(shí)，過(guò)小的切削深度使刀具在已加工表面上擠壓?打滑，形成附加的塑性變形，從而導(dǎo)致表面粗糙度較大。切削深度增加到0.3mm后，擠壓情況有所改善，表面粗糙度也隨之降低。切削深度繼續(xù)增加后，過(guò)大的切削深度會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)切除的試件材料增加，切削面積增大，導(dǎo)致軸向切削力增加，刀具因軸向力增大使得試件加工表面變形程度增加，粗糙度增加。因此后續(xù)鈦合金切削實(shí)驗(yàn)的銑削深度確定為0.3mm。

2、旋轉(zhuǎn)超聲銑削鈦合金疲勞性能實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究超聲能量的攝入對(duì)TC18鈦合金抗疲勞性能的影響規(guī)律，開(kāi)展主軸轉(zhuǎn)速和超聲電流的單因素對(duì)比實(shí)驗(yàn)。考慮傳統(tǒng)加工參數(shù)對(duì)鈦合金疲勞壽命的影響，疲勞實(shí)驗(yàn)試件加工過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min?3000r/min?4000r/min，超聲電流為0?100mA，進(jìn)給速度80mm/min，切削深度為0.3mm，超聲振動(dòng)加載頻率為20Hz。每組加工參數(shù)分別加工4塊試件，其中1塊進(jìn)行靜拉伸實(shí)驗(yàn)，3塊進(jìn)行疲勞壽命實(shí)驗(yàn)。具體銑削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示，加工試件和數(shù)字模型如圖6所示，試件尺寸為80mm×12mm×5mm。

表2鈦合金的加工參數(shù)和疲勞實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為確定鈦合金疲勞壽命實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)置參數(shù)，對(duì)TC18鈦合金疲勞試件進(jìn)行常溫靜力拉伸實(shí)驗(yàn)，以獲得具體抗拉強(qiáng)度(St)。拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)在walter+bai公司研制的LFV動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成，如圖7所示。在拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)中使用簡(jiǎn)單模式，選擇位移控制的方式，以0.02mm/s的加載速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。靜力拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的試件抗拉強(qiáng)度St為1103MPa，TC18鈦合金的應(yīng)力-位移曲線如圖8所示。

為明確超聲振動(dòng)的沖擊特性對(duì)航空鈦合金抗疲勞性能的影響規(guī)律，對(duì)采用不同加工參數(shù)加工的試樣在如圖7所示的拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)。考慮到鈦合金在飛機(jī)中的服役工況，拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)力控制形式，應(yīng)力比R=0.1，加載波形為正弦波，峰值應(yīng)力為0.65St(717MPa)。對(duì)于TC18鈦合金，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)其疲勞壽命的影響規(guī)律如圖9所示。

由圖9可知：隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，普通銑削和超聲銑削后的鈦合金疲勞壽命均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但是在超聲能量攝入的條件下，TC18鈦合金的疲勞壽命呈現(xiàn)顯著的疲勞強(qiáng)化效應(yīng)；相較傳統(tǒng)銑削，主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)，超聲銑削可提高TC18鈦合金疲勞壽命11.1%；主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，超聲能量場(chǎng)的攝入可提高TC18鈦合金疲勞壽命19.8%；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TC18鈦合金疲勞壽命28.5%；對(duì)于傳統(tǒng)銑削，主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min提高到4000r/min時(shí)，TC18鈦合金疲勞壽命提高了18.5%；對(duì)于超聲銑削，主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min提高到4000r/min時(shí)，TC18鈦合金疲勞壽命提高了37.0%。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要有以下兩個(gè)方面：

(1)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削溫度升高，刀具磨損加劇，軸向切削力增加，刀具對(duì)加工表面的機(jī)械載荷作用逐漸增大，鈦合金表面的機(jī)械強(qiáng)化作用增強(qiáng)，晶粒發(fā)生細(xì)化，形成較大的殘余壓應(yīng)力層，減少了鈦合金表面的裂紋萌生源，從而提高了鈦合金疲勞壽命；此外，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，鈦合金中的鈦元素與空氣中的氧元素和氮元素發(fā)生的反應(yīng)更加強(qiáng)烈，形成氮化鈦和氧化鈦薄膜，加工表面發(fā)生脆化現(xiàn)象，使得鈦合金顯微硬度增加，進(jìn)而降低了疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的速率，提高了鈦合金疲勞壽命。

(2)由于超聲加工的斷續(xù)切削特性，加工過(guò)程中刀具與試件表面的溫升較小，切削溫度降低，熱載荷引起的塑性凸出現(xiàn)象減弱，殘余拉應(yīng)力減少，殘余壓應(yīng)力增加，延緩了疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，進(jìn)而提高了鈦合金的疲勞性能；此外，由于超聲能量的攝入，刀具對(duì)加工表面產(chǎn)生了強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊效應(yīng)，加工表面受到的機(jī)械強(qiáng)化作用增強(qiáng)，表層區(qū)域晶粒細(xì)化更加明顯，顯微硬度增加，進(jìn)而延緩了疲勞裂紋的擴(kuò)展，使得鈦合金疲勞壽命增加。

3、結(jié)論

(1)開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)超聲銑削鈦合金表面粗糙度研究，以粗糙度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，明確了銑削鈦合金最優(yōu)工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進(jìn)給速度80mm/min，切削深度0.3mm。

(2)開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)超聲加工對(duì)TC18鈦合金疲勞壽命的影響研究。與普通銑削相比，高頻低幅的超聲振動(dòng)最大可提高TC18鈦合金疲勞壽命28.5%。

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（注，原文標(biāo)題：旋轉(zhuǎn)超聲銑削TC18鈦合金疲勞性能實(shí)驗(yàn)研究）