钛合金TB6铣削加工硬化实验

周子同 陈志同

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

蒋理科

(中航工业 昌河飞机工业(集团)有限责任公司，景德镇333000)

李秀琴

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，在航空、航天等工业部门中的应用越来越广泛，用于制作飞机和发动机中的主要构件.但是，钛合金的工艺性能差，切削加工困难.同时，由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮;切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化.

加工硬化现象一般对提高零件疲劳寿命会带来有利影响，但硬化程度超过一定范围时不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时一个很重要的特点.为了尽可能研究透彻加工硬化的产生机理以及加工硬化对疲劳强度的影响，最终提高零件的寿命，对加工硬化的研究是非常必要并且迫切的.

文献［1］研究了在线速度为10 m/min、进给量为0.1 mm/r、切深为0.7 mm的条件下对某 γ相钛合金进行车削的表面完整性，得出了硬度最大值出现在表面并且硬化层在表面下100 μm内的结论.文献［2］研究了高速铣削参数对TC4钛合金表面完整性的影响，指出铣削速度从113 m/min增加到301m/min时，硬化深度随铣削速度的升高而减小，而当铣削速度升高到377 m/min时，硬化深度略有增大.文献［3］对TC21进行了铣削加工，考察了加工硬化随进给量及切深的变化趋势，认为进给量及切深对TC21硬化率及硬化深度影响并不明显.文献［4］研究发现，使用更低线速度或者加工过程中使用冷却液时会使硬化率提高.文献［5］通过非涂层和涂层刀具干铣钛合金Ti-6242S实验得到结果:在切削参数相同条件下，非涂层刀具磨损后，工件表面硬度增大值稍有降低，但会增加硬化层硬度峰值，并且会略微增加硬化深度.

国内外学者对钛合金的表面完整性已经进行的一些研究，对TB6材料的研究有一定的参考价值，但对TB6材料铣削加工硬化的研究仍然欠缺.本文将对加工参数与TB6加工硬化现象进行研究，为TB6铣削加工过程提供依据与方法.

1 加工硬化含义及评价标准

文献［6］首先引入了表面完整性的概念，将它定义为在机械加工过程中或者其他表面处理过程中产生的表面强化状态.加工硬化是加工表面层的物理力学性能，是表面完整性的重要指标之一.

在机械加工过程中金属表面层发生塑性变形，在塑性变形作用下使金属强化的现象称为加工硬化.在金属塑性变形过程中，金属晶粒发生滑移，晶格发生畸变，晶粒形状及尺寸发生变化，并形成结构.

根据位错理论，塑性变形时金属的强化在于位错集中在滑移线的附近［7］.由于位错周围为弹性应力场，所以对下一步的塑性变形必须比非强化金属有更大的应力.加工硬化会导致金属密度和塑性变形程度成比例地降低，并且导致金属变形阻力增大，塑性降低，硬度增高.

加工硬化通常以硬化层深度hd和硬化程度N表示.hd是指已加工表面至未硬化处的垂直距离，硬化程度N是已加工表面的显微硬度值对原始显微硬度的百分数［8］.

式中，H为已加工表面的显微硬度，GPa;H0为原基体金属的显微硬度，GPa.

2 TB6钛合金铣削加工硬化实验

2.1 试件材料

试件材料为TB6合金，又称Ti-1023.Ti-1023是一种典型的近β型钛合金，名义成分为Ti-10V-2Fe-3A1，化学成分组成如表1所示［9］.

表1 TB6钛合金的化学成分 %

TB6合金具有比强度高、断裂韧性好、淬透截面大、各向异性小和耐腐蚀能力强等诸多优点.该合金最高工作温度可达320℃，适宜生产锻件、板材和型材.另外，TB6的拉伸强度和疲劳性能与飞机结构件常用结构钢30CrMnSiA一致，在飞机机身、机翼、起落架结构中替代与30CrMnSiA相同强度的结构钢可减重40%，在制造飞机机体和起落架等大型承力构件中替代Ti-6A1-4V可实现20%的减重.

2.2 实验设备

TB6试件经过线切割制成截面为正方形的长方体，尺寸为20 mm×20 mm×30 mm.由于线切割过程中可能存在一些误差，要求在实验之前使用直角尺检验各样件，选出合格样件进行实验.

试件的铣削加工是在三轴立铣床上进行，刀片为山特维克TiAlN涂层硬质合金方肩立铣刀，刀尖圆弧半径为R3.0～3.2 mm，刀盘直径50 mm，型号为R390-50Q22-17L.

样件加工之后的研磨与抛光使用了UNIPOL-802研磨抛光机，硬度测试使用了FM-800显微维氏硬度计.

2.3 实验参数选取

为了研究TB6铣削参数对加工硬化的影响，考虑线速度(Vc)、进给量(fz)与切深(ap)3个因素，每个因素选取3个水平.为了最终可以选出对加工硬化影响最大的因素，1～9组切削参数由等水平正交表L9(33)确定.同时，添加4组数据与正交表中数据组合可获得单因素与加工硬化的影响.

另外，为了研究刀具后刀面磨损对加工硬化的影响，在铣削参数为 Vc=60 m/min，fz=0.12 mm/齿，ap=0.2 mm 的条件下，使用后刀面磨损量(VB)分别为 0.1，0.2 和 0.35 mm 的刀片对样件进行加工，然后测量表面硬化率及硬化层深度的变化.

2.4 实验过程

在三轴立铣床上使用山特维克刀片对样件进行端铣，铣削方式为顺铣，采用冷却液进行冷却.铣削完成之后，在每个样件的加工表面测出表面硬度值，以便获得表面硬化率数值.

由于TB6硬化层较浅，所以采用斜切法对样件进行处理:在已加工表面上，距边缘5～10 mm处研磨出与加工面有2°夹角的斜面.采用粗磨、精磨、抛光的方式逐步研磨，使研磨面不产生加工硬化层.为了尽可能使测试结果更准确，需要保证斜面与已加工面之间的交角不产生圆角.斜切研磨之后的试件如图1a所示.在已抛光表面进行硬度测试的压痕如图1b所示.

图1 硬度测试实验图像

使用FM-800显微维氏硬度计对试件进行硬度测试，硬度测试的加载载荷为0.981 N，保荷时间选为10 s［11］.实验中测得 TB6基体硬度值为370～378 Hv.在斜切面上从分界线开始逐点测量，直至硬度值降低至370～378 Hv并且不再超出此范围.通过斜切面上第n个压痕与第1个压痕之间的距离Sn与角度关系，则可求得第n个压痕与表面的垂直距离，从而可得出硬化层深度hd.对硬化层测试的整体压痕分布如图1c所示.

为了观察切削加工之后的表面层特性，沿着铣削速度方向对试件截面进行切割，并且对切割面进行研磨、抛光、腐蚀等流程，然后在1 000倍光学显微镜下对试件观察拍照，可以得到表层组织的金相照片.

3 实验结果及分析

3.1 铣削参数与加工硬化之间的关系

通过实验得出正交实验结果，实验参数及实验结果如表2所示.

表2 实验参数及结果

通过第5、第11和第12组数据可得到线速度对表面硬化率的影响曲线，通过第3、第11、第13组数据可以得出进给对表面硬化率的影响曲线，通过第2、第10、第11组数据可得到切深对表面硬化率的影响曲线，结果见图2.

从图2可以看出，线速度从30 m/min升高到60 m/min时硬化率略有下降，而再升高到90 m/min时则出现较为明显的下降.这是在较低的切削速度范围内，随着切削速度的增加，塑性变形速度增大，第1变形区变窄，材料的塑性下降，而且切削速度增高会缩短后刀面与材料的接触时间，使加工硬化来不及充分进行;此外，切削速度的增加，又会使切削温度增加，使软化进行得较为充分，这些影响都会使加工硬化程度随线速度增加而逐步降低.

然而随着线速度上升到150m/min，硬化率又略微上升，这是因为加工过程中变形速度超过弱化速度时，弱化来不及充分进行，而当切削温度超过相变点Acs时，表面层组织将产生相变，如遇急速冷却，则成为淬火组织，使加工硬化随切削速度的增加而增加.

随着每齿进给量从0.04 mm升高到0.12mm，表面硬化率略微增加，这是因为增加进给量会使切削力及塑性变形区范围增大，会导致加工硬化程度的加大.

另外，由图2c可以看出，在线速度和进给量保持不变的情况下，切深对硬化率的影响并不明显.

图2 切削参数对表面硬化率的影响曲线

3.2 硬化层深度曲线

通过斜切法测得表2中1～9组硬化层硬度分布曲线如图3.由于斜切面上第1点处于分界线处，硬度值无法准确测得，所以第1点均从3 μm开始.从图中可以看出，最大硬度值基本上都出现在加工表面附近，随着距表面深度的增大，硬度值逐步下降.硬化层深度大体在18～36 μm的范围内变化，说明使用无磨损的新刀片对TB6进行铣削加工时，硬化并不严重.

钛合金加工硬化层深度较小，这与其切削加工时的自发淬火及材料的导热性密切相关.通常高锰钢、淬硬钢等经过淬火组织会变成硬度较高的马氏体组织，而钛合金经过低温淬火，所得马氏体硬度不高，强化效果小，此外由于其导热系数较低，热量驻于近表层，所以得到的硬化层深度较小.

图3 切削参数对表面硬化率的影响曲线

3.3 刀具后刀面磨损对加工硬化的影响

硬化层深度与后刀面磨损量之间的关系如图4所示.从图中可以看出，新刀加工出的样件硬化层深度约为30 μm;当VB达到0.1 mm时，硬化层深度提高到45 μm左右;VB达到0.2 mm时，硬化层深度提高到55 μm左右;而当VB达到0.35 mm时，硬化层大幅增加至约130 μm.

图4 后刀面磨损量对硬化层深度影响曲线

图5为不同后刀面磨损量的刀具对硬化层深度的影响曲线.可见，刀具磨损对硬化层的变化影响比较明显，随着VB的增加，硬化层深度也在不断增加.

随着刀具磨损的增加，切削刃变钝，使试件在被加工过程中受到挤压的作用增大，在切削区被加工材料的变形也随之增加，会增大硬化层深度;另外，刀具与切屑以及磨损后的刀具后刀面与已加工表面的摩擦也会增大，也会使切削热增加，同样会增大硬化影响层深度.刀具磨损初期，温度增加比较平缓，到了后期则比较显著［11］，所以刀具从无磨损到磨损量为0.1mm和0.2mm使硬化层增加比较缓慢，当磨损量达到0.3 mm时，硬化层会急剧增加.

从图5中可以看出，VB=0时，加工表面下硬度随着距表面距离的增加基本处于缓慢下降状态;VBmax=0.1 mm时，在表面下10 μm处出现了一个波谷，硬度值为383Hv，随后在30μm处又达到一个峰值，随后再次缓慢下降到基体硬度后趋于稳定;VBmax=0.2 mm 时，在表面下20 μm 处出现波谷，硬度值为375 Hv，在40 μm处达到峰值，随后缓慢下降;VBmax=0.3 mm 时，表面下20 μm处同样出现硬度值为375 Hv的波谷，然后在68 μm处出现一个硬度值达到407 Hv的波峰，之后硬度值缓慢下降.

图5 不同磨损量下硬化层分布曲线

由于在靠近表面的位置，晶粒的滑移、拉长与破碎更加剧烈，会引起试件在表面附近硬度偏大.另外，在切削过程中，切削热会使钛合金表层金属出现软化现象，由于钛合金较差的导热性，热量就会在距表层较浅的深度处被保留一段时间，会使该深度处的硬度值下降.随着刀具磨损量的增加，切削热也随之迅速增加，最终导致硬化深度曲线出现越来越明显的波谷.

表面加工硬化一般可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利;但表面硬化增加到一定程度时，表面塑性变形层在循环加载和高温作用下会加速扩散进程，进而使金属表面层软化和损失其承载能力.所以工厂在实际加工过程中，需要严格控制刀具磨损，尽量避免使用后刀面磨损量超过0.2mm的刀具对钛合金进行加工.

3.4 表层微观组织

VB分别为0，0.1，0.2 和 0.35 mm 时表层组织的金相照片，如图6所示.从金相照片中可以清晰看出，试件已加工表层晶粒发生了拉伸和滑移.而且当刀具磨损加剧时，试样表层的钛合金晶粒扭曲程度更加明显，晶粒扭曲层深度也随着加深.

图6 不同磨损量下表层微观组织

4 结论

通过对TB6钛合金铣削参数对加工硬化影响的研究，可以得出如下结论:

1)TB6铣削端铣加工过程中，会产生加工硬化.刀具无磨损的情况下，硬化率基本保持在107%～112%范围内，硬化层深度范围为18～36μm，加工硬化并不严重.

2)铣削速度由30 m/min增加到90 m/min时，加工硬化程度会有较为明显的降低现象，而继续增加到150 m/min时，加工硬化程度再次增加;进给量由0.04 mm逐步升高到0.12 mm时，表面硬化程度会有略微提高，而切深量不同时，加工硬化程度的变化并不明显.

3)刀具磨损对加工硬化的影响较为显著，后刀面磨损量从0增加到0.2mm时，硬化层深度从30 μm 增加至55 μm，而后刀面磨损量为 0.35 mm时，硬化层深度达到了130 μm.

4)刀具经过一定磨损后，在表面下较浅位置会出现软化区域，随着磨损量增大，软化区域更加明显.

5)从金相照片可以看出，试件已加工表层晶粒发生了拉伸和滑移.并且刀具磨损加剧时，试样表层的钛合金晶粒扭曲程度更加明显，晶粒扭曲层深度也随着加深.

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