由于钛合金具有比强度高、热强度好、耐腐蚀、资源丰富等一系列优点，因此在航空、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。在发动机方面，用于制造压气机盘、压气机叶片、机匣和燃烧室外壳等重要零件；在飞行器结构中用于制造翼梁、隔框和接头等重要构件。特别在钛合金整体框架和大型整体壁板制造过程中，加工量相当大，而且许多薄壁部位必须克服结构上的加工变形，亟需解决钛合金整体框架和大型整体壁板的加工效率和加工质量问题。实践证明，高速铣切是目前能够高效可靠地解决这一问题的最经济的加工手段。因此，有必要研究与钛合金高速铣削表面完整性相关的基础理论。

1 材料特性

钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(a+b)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。

比强度大。 TC4的强度s_b=1,012MPa，密度g=4.4×10³，比强度s_b/g=23.5，而合金钢的比强度s_b/g小于18。
钛合金热导率低。钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。
钛合金的弹性模量较低。 TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，故钛合金加工时容易产生变形。

2 高速铣削的表面完整性

试验条件
1. 试件尺寸：420×200×24mm。
2. 铣床：X5040立式铣床。
3. 刀具：Y330硬质合金螺旋立铣刀，4齿。
4. 铣削方式：顺铣，周铣。
5. 铣削参数：
  1. a_p=10mm，a_e=0.2mm，V_f=100mm/min，n=500r/min(常规铣削参数)；
  2. a_p=10mm，a_e=0.2mm，V_f=500mm/min，n=2,500r/min(高速铣削)。
铣削表面完整性的检测
1. 铣削表面下晶粒歪扭层深度检测
  首先对不同铣削参数下的试件取样，从垂直于铣削表面的任意的一个侧面研磨与抛光，然后对其抛光表面腐蚀，便可在金相显微镜下观测到铣削表面下晶粒歪扭程度。当选用A参数时，钛合金材料加工时表层下会产生较明显的晶粒扭曲现象，晶粒歪扭层深度达7µm；而选用B参数时，晶粒歪扭不明显，晶粒歪扭层深度不到1µm。这表明高速铣削对钛合金晶粒扭曲变形极小，是解决钛合金整体薄壁结构件加工变形的理想加工方法，也是获得少或无变质层表面的可靠手段。
2. 铣削表面残余应力及其分布
  钛合金材料对应力状况非常敏感，特别是加工表面的残余应力及其分布状态对构件是否能合理使用是十分重要的。已加工表面的残余应力有残余拉应力与残余压应力之别，残余拉应力会降低零件的疲劳强度和使用寿命，而残余压应力有时却能提高零件的疲劳强度和使用寿命。加工表面各部分残余应力的分布不均匀，也会使工件产生变形，影响工件的形状和尺寸精度。因此，迫切需要了解和研究钛合金TC4材料高速铣削表面残余应力及其分布。
  
  图1 低速铣削表面层残余应力的分布
  图2 高速铣削表面层残余应力的分布
  用X射线法测量钛合金铣削表面的残余应力。低速铣削表面层残余应力及其分布见图1；高速铣削表面层残余应力及其分布见图2。从图中可以看出，低速铣削时，表面残余压应力较大，而且沿表层内的拉应力分布梯度也较大，这样引起材料加工后的变形就很大，而且零件在使用中因应力的衰减会产生更大的变形，造成零件不能正常使用。对于高速铣削表面，表面残余应力相对要小，并且表面内应力分布的梯度小，零件使用时应力变化缓慢，所引起的零件变形也小得多。由此表明，高速加工技术是薄壁结构件高效加工的可靠手段。
3. 铣削硬化层的检测
  铣削选用A参数时，在干切削条件下，铣削表面硬化层的分布深度与显微硬度的关系如表1所示；铣削用B参数时，在干切削条件下，铣削表面硬化层的分布深度与显微硬度的关系如表2所示。
  表1，2表明，钛合金材料高速铣削比低速铣削表面的显微硬度低得多，与图1，2的结果相吻合，说明高速铣削表面上的晶粒发生歪曲变形较小，冷作硬化程度也很小，而且冷作硬化层的深度很浅。通过硬化层深度的测试证明了钛合金TC4材料在常用铣削速度下加工的不合理性。为了提高数控机床的利用率及改善钛合金加工表面的质量，应选用更高速度的加工，尤其对钛合金大型整体壁板和整体框架，高速铣削技术具有其他加工方法无法比拟的优越性。表1 低速铣削表面硬化层分布深度与显微硬度的关系深度 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 显微硬度 383 365 350 342 330 312 312 312表2 高速铣削表面硬化层分布深度与显微硬度的关系深度 0 1 1.5 2 3 4 显微硬度 340 320 312 312 312 312
4. 铣削表面粗糙度的检测
  使用GJD-5E型表面粗糙度仪对不同铣削速度下的加工表面进行测试，铣削选用A参数时的表面粗糙度为Ra6.4µm，而当铣削选用B参数时，表面粗糙度为Ra0.8µm。显然，高速比低速铣削下的表面粗糙度值要低很多。

3 结束语

通过对钛合金高速铣削表面完整性的研究可得出以下几点结论：

高速铣削加工技术对于提高钛合金加工效率和改善表面加工质量是非常有效的。
采用高速铣削方法，相对常用铣削速度可使加工效率提高5倍，并使表面粗糙度值大幅度降低。
采用高速铣削方法加工钛合金材料，表面形成的残余压应力比常用铣削速度的低，且表层下所形成的残余应力梯度小，应力分布更合理。特别是最大拉应力要小得多，在拉应力区应力变化平缓，因此结构件受力后，应力衰减也会较平稳，构件产生的变形就小，这对零件的承载和使用都是有利的。
采用高速铣削加工钛合金TC4，表层金属在形成已加工表面的过程中，发生的塑性变形小，晶粒的歪扭程度小，因而位于极薄的表层中冷作硬化强烈，组织的显微硬度也较高，而沿表面稍向深处延伸，硬化程度会明显减小。
采用高速铣削方法加工钛合金，可以直接获得磨削加工方法所能达到的表面质量，即低应力、低表面粗糙度值和较小的冷作硬化层深度。