超聲加工TC18鈦合金表面完整性試驗研究

張鐵,汪振華,袁軍堂,鄭侃

南京理工大學機械工程學院

1 引言

TC18鈦合金是一種過渡型α+β合金,同時具有α+β鈦合金和β鈦合金的性能特征,是一種近β鈦合金,具有高淬透性、高斷裂韌性和耐腐蝕性等優點,被廣泛應用于航空航天等領域[1]。但TC18鈦合金作為一種雙相組織材料,在切削加工過程中產生較大的切削力,同時由于其導熱性較差容易產生大量切削熱,造成加工表面質量下降,屬于典型難加工材料[2]。

超聲振動加工技術是一種結合超聲加工技術與傳統銑削,將超聲波振動施加于刀具或工件上的復合加工技術[3]。超聲振動加工過程表現為刀具對工件進行高頻斷續加工,加工過程中刀具或工件按照一定頻率進行振動,從而實現刀具與工件間的高頻重復分離和接觸,以此達到改善被加工材料表面質量的目的。使用這種加工技術可以有效降低切削溫度,減少刀具磨損,改善鈦合金的表面完整性[4]。

近年來,將超聲振動加工技術應用到加工鈦合金的研究較多。馬超等[5]研究了超聲振動輔助銑削加工參數和振動參數對切削力的影響,結果表明,施加超聲振動后的切削力相較于普通銑削加工明顯降低。牛贏等[6]通過縱扭超聲銑削加工方法探究工藝參數對表面殘余應力的影響機制,試驗結果顯示,與普通銑削加工相比,縱扭超聲銑削可減少平均切削力,降低切削溫度,同時顯著增加表面殘余壓應力值。Liu J.等[7]研究了側銑旋轉超聲橢圓加工對Ti-6Al-4V表面完整性的影響,試驗結果表明,使用側銑旋轉超聲橢圓加工技術可產生更大的殘余壓應力以及加工表面的加工硬化,顯著提高被加工表面的表面完整性。Liu Q.等[8]對超聲輔助銑削過程中刀具磨損進行研究發現,在相同加工條件下,超聲輔助銑削加工刀具壽命更長,同時在相同磨損情況下超聲輔助銑削產生更小的切削力和切削溫度。童景琳等[9]采用超聲縱—扭復合振動加工方法,研究不同振動方式下銑削刀具磨損特性,試驗結果顯示,該加工方法可以有效減少刀具沖擊,增加刀具壽命。

以上研究表明,使用超聲加工方式加工鈦合金在提高銑削加工穩定性、降低切削力與切削溫度、改善加工表面質量以及延長刀具壽命等方面具有顯著效果。但上述大部分研究是針對鈦合金表面完整性中的某一特征進行研究,或僅研究超聲加工參數對表面完整性的影響,忽略了傳統銑削加工參數的影響,比如僅研究超聲振幅大小對鈦合金表面粗糙度的影響而忽略切削參數的影響,對研究超聲加工方式對于鈦合金表面完整性的影響稍顯不足。本文以TC18鈦合金作為加工材料,在超聲加工(RUM)以及非超聲加工(CM)條件下對比研究超聲振動以及主軸轉速對鈦合金表面完整性(表面粗糙度、殘余應力及顯微硬度)的影響。

2 試驗設備及試驗方案

2.1 試驗材料

試樣材料為TC18鈦合金,其相關化學成分以及物理力學特性如表1和表2所示。

2.2 試驗設備

選用MCV-L850三軸立式加工中心以及陜西智遠貿易有限公司生產的SY-2000高速旋轉超聲波加工系統進行銑削鈦合金試驗(見圖1),通過調節輸入電流值大小實現超聲振幅的大小變化。刀具選用硬質合金TiAlN涂層四刃立銑刀,螺旋角45°。加工過程中使用切削液,銑削方式為順銑。試驗主要加工參數如表3所示,為避免刀具磨損對試驗結果產生影響,每一組加工參數條件下都使用新刀加工。

圖1 超聲加工系統

表3 銑削加工參數

2.3 試驗結果測量

試驗主要觀測分析表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應力三方面結果。使用Keyence VK-XX 100形狀測量激光顯微系統測量表面粗糙度值并拍攝表面形貌,在拍攝視野內隨機選取十條線上的粗糙度值的平均值作為測量結果。利用HV-1000IS圖像分析顯微硬度計測量顯微硬度值,設置加載載荷為200g,保荷時間為15s,由于硬度值存在分布不均的情況,因此測量區域為整個加工表面,以便保證測量結果準確。通過X-350A型X射線應力測定儀測量表面殘余應力,選擇銅靶靶材。

3 試驗結果與分析

3.1 表面形貌和表面粗糙度

不同轉速下鈦合金表面形貌各不相同,相較于普通銑削加工,在相同轉速下超聲加工的工件表面形貌紋理更加復雜,圖2為兩種加工條件下的工件表面形貌。

圖2 不同銑削加工參數的工件表面形貌

在普通銑削的情況下,刀具在工件表面形成圓弧狀條紋,同時隨著轉速的不斷增加,條紋由疏松向緊密變化[10]。超聲銑削加工時,由于超聲加工的斷續切削特性,加工表面受到反復沖擊,改變了表面形貌,形成微凹坑的結構,且微凹坑結構隨著轉速的增加而增大[11]。

不同的銑削加工參數帶來不同的加工表面形貌,在一定程度上反映了超聲加工與普通加工對工件表面的不同作用情況,從而必然導致表面粗糙度發生變化。

從圖3可見,表面粗糙度隨著主軸轉速的增加呈現下降趨勢。主軸轉速為2000r/min時,超聲振動作用下鈦合金粗糙度提高20.1%;當主軸轉速達到3000r/min時,超聲能量使得鈦合金粗糙度提高17.1%;主軸轉速為4000r/min時,鈦合金粗糙度可提高18.0%。這是因為隨著主軸轉速的不斷增加,銑削溫度不斷升高,鈦合金加工表面熱軟化效應不斷加強,不易產生積屑瘤,加工表面缺陷減少,表面粗糙度不斷減小[12]。

圖3 主軸轉速對表面粗糙度的影響規律

在超聲銑削鈦合金中,主軸轉速由2000r/min提高到4000r/min時,表面粗糙度降低了21.2%。這是因為隨著主軸轉速增加,刀具振動頻率不變,刀具每轉1圈對工件表面的熨壓次數減小,使得每顆“魚鱗”的范圍增加,表面起伏降低,粗糙度降低[13]。同時超聲加工的斷續切削特性讓切削液更容易接觸到加工表面,切削溫度升高速度變慢,刀具后刀面磨損減少,從而使表面粗糙度降低[14]。

3.2 表面殘余應力

研究顯示加工表面的殘余應力是影響工件疲勞壽命的主要因素[15]。圖4為不同加工參數條件下殘余應力變化規律,可以看出,工件被加工表面產生的殘余應力均為殘余壓應力[16]。

圖4 主軸轉速對殘余應力的影響規律

普通銑削加工中,主軸轉速從2000r/min增至4000r/min時,鈦合金表面殘余應力的絕對值由210.8MPa增至327.45MPa,增幅55.34%。在超聲銑削加工中,主軸轉速從2000r/min增至4000r/min時,鈦合金表面殘余應力絕對值由335.8MPa增至503.4MPa,增幅49.9%。這是由于隨著主軸轉速的增加,銑刀側刃與工件材料在摩擦作用下使材料表面的塑性變形加劇,刀具對工件材料表層擠壓作用增強,導致殘余應力隨著主軸轉速的增加而增加。

超聲銑削和普通銑削均使殘余應力呈壓應力狀態,但在高頻低幅的超聲振動作用下,鈦合金表面的殘余應力顯著提高[17]。主軸轉速為2000r/min時,超聲銑削可提高鈦合金表面殘余應力59.3%;主軸轉速為3000r/min時,超聲能量場的攝入可提高鈦合金表面殘余應力25.9%;當主軸轉速達到4000r/min時,高頻低幅的沖擊振動可提高鈦合金表面殘余應力53.7%。這是由于在超聲銑削過程中,刀具高頻沖擊金屬表面,對鈦合金表層材料進行機械強化,刀具后刀面與工件表面材料產生擠壓,使得工件表面形成較高的殘余壓應力。同時隨著主軸轉速增加,超聲銑削的斷續切削特性使切削熱引起的材料體積膨脹效應減弱,即降低了熱載荷引發的殘余拉應力,從而提高了鈦合金表面的殘余壓應力。

3.3 顯微硬度

圖5為給定其他參數條件下主軸轉速對表面顯微硬度的影響,從試驗結果可以看出,顯微硬度隨著主軸轉速的增大不斷增大[18]。

圖5 主軸轉速對表面顯微硬度影響規律

普通銑削加工中,當主軸轉速為2000r/min時,鈦合金表面顯微硬度為180.1HV;當主軸轉速為3000r/min時,表面顯微硬度為195.48HV;當主軸轉速為4000r/min時,表面顯微硬度為206.94HV,隨著主軸轉速的增加,普通銑削加工時的鈦合金表面顯微硬度提高了19.1%。

超聲銑削加工中,當主軸轉速為2000r/min時,鈦合金表面顯微硬度為198.55HV;當主軸轉速為3000r/min時,表面顯微硬度為216.35HV;當主軸轉速為4000r/min時,表面顯微硬度為236.54HV。隨著主軸轉速的增加,超聲加工條件下表面顯微硬度提高了14.9%。試驗結果表明,在相同主軸轉速下,超聲加工可使表面顯微硬度增加10.25%～14.31%。

一方面,在銑削加工過程中,隨著主軸轉速的增大,材料的應變硬化速率提高,切削過程中對加工表面的強化效應增強,使得表面顯微硬度增加[19],同時隨著主軸轉速的增加,鈦合金中的鈦元素與空氣中的O元素和N元素反應加劇,在加工表面形成氧化鈦和氮化鈦薄膜,工件脆性不斷增加,提高了表面顯微硬度[20];另一方面,由于超聲加工的斷續切削特性,刀具對加工表面產生高頻沖擊,使表層材料受到更大的擠壓,進一步使工件表面材料發生連續的塑性變形,在加工表面層產生更大程度的塑性變形,導致硬化程度不斷增大,顯微硬度不斷提高[21]。

4 結語

通過對超聲振動銑削和普通銑削鈦合金的表面形貌、表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應力進行分析,得出以下結論。

(1)在給定其他加工參數條件下,采用普通銑削加工與超聲振動加工試驗,結果表明,超聲銑削加工后鈦合金表面形貌呈周期性魚鱗狀。與普通銑削加工相比,超聲銑削加工鈦合金表面粗糙度增加17.1%～20.1%,并隨著主軸轉速增加,超聲銑削與普通銑削鈦合金表面粗糙度均呈下降趨勢。

(2)超聲銑削加工在加工表面下方會形成相較于普通銑削加工更深的加工變形層,其在不同主軸轉速下的表面顯微硬度均高于普通銑削加工表面顯微硬度,并且主軸轉速越高,表面顯微硬度越大。

(3)超聲銑削加工表面殘余應力高于普通銑削加工表面殘余應力,且超聲振動銑削加工表面上的殘余應力均為殘余壓應力,同時在兩種加工方式下殘余應力值均隨著主軸轉速的增大而增大。

(4)與普通銑削加工相比,超聲銑削加工有助于提高表面顯微硬度和表面殘余應力,有效改善鈦合金表面完整性,體現出超聲銑削加工更好的銑削工藝特性。