由于鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度好、耐腐蝕、資源豐富等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在航空、航天等產(chǎn)業(yè)部分中的應(yīng)用越來越廣泛，用于制作飛機(jī)和發(fā)動機(jī)中的主要構(gòu)件。在發(fā)動機(jī)方面，用于制造壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)葉片、機(jī)匣和燃燒室外殼等重要零件；在飛行器結(jié)構(gòu)中用于制造翼梁、隔框和接頭等重要構(gòu)件。特別在鈦合金整體框架和大型整體壁板制造過程中，加工量相當(dāng)大，而且很多薄壁部位必須克服結(jié)構(gòu)上的加工變形，亟需解決鈦合金整體框架和大型整體壁板的加工效率和加工質(zhì)量題目。實(shí)踐證實(shí)，高速銑切是目前能夠高效可靠地解決這一題目的最經(jīng)濟(jì)的加工手段。因此，有必要研究與鈦合金高速銑削表面完整性相關(guān)的基礎(chǔ)理論。

　　1 材料特性 鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+b)型鈦合金，具有良好的綜協(xié)力學(xué)機(jī)械性能。

　　比強(qiáng)度大。 TC4的強(qiáng)度sb=1,012MPa，密度g=4.4×103，比強(qiáng)度sb/g=23.5，而合金鋼的比強(qiáng)度sb/g小于18。

　　鈦合金熱導(dǎo)率低。 鈦合金的熱導(dǎo)率為鐵的1/5、鋁的1/10，TC4的熱導(dǎo)率l=7.955W/m·K。

　　鈦合金的彈性模量較低。 TC4的彈性模量E=110GPa，約為鋼的1/2，故鈦合金加工時輕易產(chǎn)生變形。

　　2 高速銑削的表面完整性

　　試驗(yàn)條件

　　試件尺寸：420×200×24mm。

　　銑床：X5040立式銑床。

　　刀具：Y330硬質(zhì)合金螺旋立銑刀，4齒。

　　銑削方式：順銑，周銑。

　　銑削參數(shù)：

　　ap=10mm，ae=0.2mm，Vf=100mm/min，n=500r/min(常規(guī)銑削參數(shù))；

　　ap=10mm，ae=0.2mm，Vf=500mm/min，n=2,500r/min(高速銑削)。

　　銑削表面完整性的檢測

　　銑削表面下晶粒歪扭層深度檢測 首先對不同銑削參數(shù)下的試件取樣，從垂直于銑削表面的任意的一個側(cè)面研磨與拋光，然后對其拋光表面腐蝕，便可在金相顯微鏡下觀測到銑削表面下晶粒歪扭程度。當(dāng)選用A參數(shù)時，鈦合金材料加工時表層下會產(chǎn)生較明顯的晶粒扭曲現(xiàn)象，晶粒歪扭層深度達(dá)7μm；而選用B參數(shù)時，晶粒歪扭不明顯，晶粒歪扭層深度不到1μm。這表明高速銑削對鈦合金晶粒扭曲變形極小，是解決鈦合金整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的理想加工方法，也是獲得少或無變質(zhì)層表面的可靠手段。

　　銑削表面殘余應(yīng)力及其分布 鈦合金材料對應(yīng)力狀況非常敏感，特別是加工表面的殘余應(yīng)力及其分布狀態(tài)對構(gòu)件是否能公道使用是十分重要的。已加工表面的殘余應(yīng)力有殘余拉應(yīng)力與殘余壓應(yīng)力之別，殘余拉應(yīng)力會降低零件的疲憊強(qiáng)度和使用壽命，而殘余壓應(yīng)力有時卻能進(jìn)步零件的疲憊強(qiáng)度和使用壽命。加工表面各部分殘余應(yīng)力的分布不均勻，也會使工件產(chǎn)生變形，影響工件的外形和尺寸精度。因此，迫切需要了解和研究鈦合金TC4材料高速銑削表面殘余應(yīng)力及其分布。

　　圖1 低速銑削表面層殘余應(yīng)力的分布

　　圖2 高速銑削表面層殘余應(yīng)力的分布

　　用X射線法丈量鈦合金銑削表面的殘余應(yīng)力。低速銑削表面層殘余應(yīng)力及其分布見圖1；高速銑削表面層殘余應(yīng)力及其分布見圖2。從圖中可以看出，低速銑削時，表面殘余壓應(yīng)力較大，而且沿表層內(nèi)的拉應(yīng)力分布梯度也較大，這樣引起材料加工后的變形就很大，而且零件在使用中因應(yīng)力的衰減會產(chǎn)生更大的變形，造成零件不能正常使用。對于高速銑削表面，表面殘余應(yīng)力相對要小，并且表面內(nèi)應(yīng)力分布的梯度小，零件使用時應(yīng)力變化緩慢，所引起的零件變形也小得多。由此表明，高速加工技術(shù)是薄壁結(jié)構(gòu)件高效加工的可靠手段。

　　銑削硬化層的檢測 銑削選用A參數(shù)時，在干切削條件下，銑削表面硬化層的分布深度與顯微硬度的關(guān)系如表1所示；銑削用B參數(shù)時，在干切削條件下，銑削表面硬化層的分布深度與顯微硬度的關(guān)系如表2所示。表1，2表明，鈦合金材料高速銑削比低速銑削表面的顯微硬度低得多，與圖1，2的結(jié)果相吻合，說明高速銑削表面上的晶粒發(fā)生歪曲變形較小，冷作硬化程度也很小，而且冷作硬化層的深度很淺。通過硬化層深度的測試證實(shí)了鈦合金TC4材料在常用銑削速度下加工的不公道性。為了進(jìn)步數(shù)控機(jī)床的利用率及改善鈦合金加工表面的質(zhì)量，應(yīng)選用更高速度的加工，尤其對鈦合金大型整體壁板和整體框架，高速銑削技術(shù)具有其他加工方法無法相比的優(yōu)越性。

　　表1 低速銑削表面硬化層分布深度與顯微硬度的關(guān)系

深度	0	2.5	5	7.5	10	12.5	15	17.5
顯微硬度	383	365	350	342	330	312	312	312

　　表2 高速銑削表面硬化層分布深度與顯微硬度的關(guān)系

 

深度	0	1	1.5	2	3	4
顯微硬度	340	320	312	312	312	312

　　銑削表面粗糙度的檢測 使用GJD-5E型表面粗糙度儀對不同銑削速度下的加工表面進(jìn)行測試，銑削選用A參數(shù)時的表面粗糙度為Ra6.4μm，而當(dāng)銑削選用B參數(shù)時，表面粗糙度為Ra0.8μm。顯然，高速比低速銑削下的表面粗糙度值要低很多。

　　3 結(jié)束語

　　通過對鈦合金高速銑削表面完整性的研究可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　高速銑削加工技術(shù)對于進(jìn)步鈦合金加工效率和改善表面加工質(zhì)量是非常有效的。

　　采用高速銑削方法，相對常用銑削速度可使加工效率進(jìn)步5倍，并使表面粗糙度值大幅度降低。

　　采用高速銑削方法加工鈦合金材料，表面形成的殘余壓應(yīng)力比常用銑削速度的低，且表層下所形成的殘余應(yīng)力梯度小，應(yīng)力分布更公道。特別是最大拉應(yīng)力要小得多，在拉應(yīng)力區(qū)應(yīng)力變化平緩，因此結(jié)構(gòu)件受力后，應(yīng)力衰減也會較平穩(wěn)，構(gòu)件產(chǎn)生的變形就小，這對零件的承載和使用都是有利的。

　　采用高速銑削加工鈦合金TC4，表層金屬在形成已加工表面的過程中，發(fā)生的塑性變形小，晶粒的歪扭程度小，因而位于極薄的表層中冷作硬化強(qiáng)烈，組織的顯微硬度也較高，而沿表面稍向深處延伸，硬化程度會明顯減小。

　　采用高速銑削方法加工鈦合金，可以直接獲得磨削加工方法所能達(dá)到的表面質(zhì)量，即低應(yīng)力、低表面粗糙度值和較小的冷作硬化層深度。