高速铣削加工具有高效率、高精度以及加工工件表面高质量等优点,在近20 年得到了迅速的发展和广泛的应用,已经成为了一项先进的制造技术。
国内外对高速铣削加工表面完整性方面进行了积极和深入的研究,已经建立了基于加工理论、试验研究、设计试验和人工智能(AI) 4 大类预测表面粗糙度的模型和方法。通过试验的方法测定了已加工表面残余应力在深度上的分布以及硬化深度与表面显微硬度的关系。试验表明 ,高速切削条件下钛合金的表面完整性比低速切削时好得多,表面粗糙度Ra 可达到011 μm以下,最高残余应力值由大约300 MPa 降低为150 MPa 左右,残余应力分布梯度小,表层组织中晶粒歪扭程度由7μm 下降至不到1μm ,表面硬化深度比低速切削时小很多,由1215μm 减小到115μm 左右。而表面粗糙度越小,材料疲劳寿命越高。高速加工后钛合金零件的粗糙度要比低速加工后小得多,所以高速切削是解决钛合金整体薄壁结构件加工变形、提高疲劳寿命的理想加工方法。
众所周知,工件的疲劳强度与工件的表面质量有着紧密的联系,但目前对钛合金高速铣削后表层微观组织的研究涉及较少[10 ] ,所以研究钛合金高速铣削表面形貌及微观组织对提高高速铣削加工工件的疲劳寿命有着非常重要的意义。
整体叶盘是发展高推重比航空发动机的关键技术,目前钛合金压气机整体叶盘主要采用五坐标加工中心直接铣削成型。而最后一道铣削工艺决定了工件最终的表面质量和加工精度,所以本文模拟航空涡轮叶盘整体加工最后一道的铣削环境,采用相关的加工参数进行试验,并着重对钛合金TC4高速铣削后的表层微观形貌及组织进行分析,以期为优化钛合金整体叶盘高速铣削工艺参数,进行表面完整性研究提供相关的试验基础与理论依据。
1 试验过程及试验条件
研究所用材料为钛合金TC4 , 试件尺寸为90 mm ×20 mm ×7 mm。采用UCP1350 五坐标数控加工中心、直径12 mm 的平底四刃铣刀、Blasor 切削液进行高速铣削加工,铣削方式为顺铣。铣削参数参照航空涡轮整体叶盘最后一道铣削精加工工艺。由于整体叶盘的叶片很薄,为防止变形,所以采用了较小的切削深度。采用的铣削参数如下:
轴向切深ap (mm) : 0115 , 0125 ; 径向切宽ad (mm) :12 ;每齿进给量f z (mm/ z) : 01 05 ; 主轴转速n(r/ min) :3 000 ,6 000 ,8 000 ,10 000 。
铣削后沿着试样铣削方向和垂直于铣削方向切割,制备金相试样。将切割断面研磨、抛光后进行腐蚀,腐蚀剂配比为硝酸∶氢氟酸∶水等于1 ∶1 ∶10 。
观察铣削表面形貌和断面组织采用的扫描电子显微镜( SEM) 的型号为AMRA Y21000B。表面粗糙度测量系统采用英国Taylor2hobson 粗糙度仪,分别在铣削表面两边1/ 2 铣刀半径处各取5 个点测量粗糙度取平均值, 取样长度为018 mm ,评定长度为516 mm。
试验方案示意图如图1 所示。
2 铣削工件表面形貌
2.1 高速铣削加工表面的形成
通过观察铣削表面(如图2 所示) 可以发现,铣削后工件表面产生波纹状的表面纹理,它是铣刀与工件相对移动后最终形成的表面形貌,清晰地反映出了铣刀切削刃的运动轨迹。
工件表面上复制了刀具切削刃形状,每条均匀间隔突起的棱脊在进给运动方向位移量等于铣削参数中的每齿进给量。在均匀间隔突起的棱脊之间分布有沿切削运动方向的细小沟槽。其产生的原因有两个方面:一是刀具表面上硬质点对工件加工表面的犁耕,二是刀具磨损表面上粗糙沟槽在工件加工表面上的复制。同时,突起的棱脊不再是一条线,而是变成很多磨损小突起和沟槽的犁垄带。犁垄不仅影响到已加工表面粗糙度,而且还反作用于刀具表面,使刀具表面产生附加沟槽,加剧刀具磨损,形成恶性循环[11 ] 。在相邻的两个棱脊之间,靠近刀尖部位( 棱脊圆弧内圈) 的工件表面较为光滑平整,越靠近副后刀面和副切削刃尾部刀具与工件分离处,工件加工表面越粗糙,这是由刀具的磨损状况造成的。由于存在着副偏角和切屑锯齿状边缘的影响,离刀尖越远,刀具与工件间压紧程度越差,刀尖部位紧压在工件加工过渡表面上,接触稳定,磨损过程稳定,从而表面质量较好;而在副后刀面上,离刀尖越远,刀具与工件间压紧程度越差,加剧了刀具副后刀面和副切削刃尾部的磨损及磨损不稳定性,最终也影响到这个区域的表面质量。
2.2 参数变化对铣削表面的影响
如图3 所示,对于同一铣削参数铣刀一次走过的加工表面(切道底面) ,在径向切深方向上从中心至边缘,表面质量不断下降。
首先,刀具在径向切深方向上从中心至边缘切削作用不断减弱,进给速度的分量不断减小,单齿切厚逐步减小为零。而高速切削时,主要的切削热将由切屑导出,因而在靠近边缘位置切削产生的热量都大量传递给了工件,这是导致边缘部分表面质量恶化的因素之一。
其次,加工表面(切道底面) 在径向切深方向上从中心至边缘残留高度的密度(棱脊密度) 不断增大。铣削工件时,切削刃的运动轨迹是一条螺旋线,所以,在工件表面任意一点处,相邻棱脊之间的距离S 可近似表示为: S = f zcosθ,其中,θ为该点切削刃运动轨迹的法线方向与进给方向的夹角。而该点到刀具中心轨迹线上的垂直距离δ=Rsinθ , R 为刀具的切削半径。因此, S = f z (1 -δ2 / R2 ) 12。本试验中R = 6 mm , f z = 0105 mm/ z ,S 随δ的变化如图4 所示。由图4 可知从铣削表面切道中心到边缘位置棱脊间距不断减小,密度增大,从而表面质量也不断下降。
图5 为不同转速铣削表面1/ 2 铣刀半径处的表面形貌。图6 为表面粗糙度随转速的变化曲线。可见转速从3 000 r/ min 到8 000 r/ min 变化时,铣削表面同一区域的表面粗糙度随着转速的上升呈下降趋势( ap = 0.15 mm 时, Ra 从0.810μm 下降到0.312 μm ; ap = 0.25 mm 时, Ra 从1.113μm 下降到0.365μm) ,而当转速为10 000r/ min 时表面粗糙度有所上升( ap = 0. 15 mm 时,Ra 为01381 μm ; ap = 0125 mm 时, Ra 为0.551μm) 。切深ap = 0.15 mm 的铣削表面质量整体上优于切深ap = 0.25 mm 的铣削表面。切削力的理论公式为
其中:τs 为材料的剪切屈服强度; hD 为切削厚度;bD 为切削宽度:ξ为切屑变形系数; c 为与刀具前角有关的常数。
在切削过程中,切削力与传递给工件的热量的综合作用直接影响着工件的表面粗糙度。高速铣削时,随着转速的增加,切削功率增大,单位时间产生的热量相应地增多,因而切削温度升高,使得切屑底层软化,形成薄薄的微熔层,切屑与前刀面的摩擦系数减小,同时切屑变形时间缩短,也使得切屑变形系数减小。从而,切削力降低,切削过程平稳。另外,高速切削时,主要的切削热将由切屑导出,为了保证每齿进给量相同,随着转速的上升必须相应增加进给速度,从而使热源运动速度加快,向工件传热的时间减少,传递给加工表面的热量不断减少。综上所述,高速铣削过程中,随着转速的增加,切削力与传递给工件的热量作用不断减弱,零件表面粗糙度也随之降低。但在高速铣削过程中,并不是转速越高越好,在本文的试验条件下,当转速为10 000 r/ min 时,表面粗糙度反而有所上升。在一些实际应用中也发现了类似的现象,这可能是因为在高的转速下,铣刀(尤其是长铣刀) 发生圆锥摆动现象,使得刀具铣削时底端不在同一水平面内,同时使得铣削过程不稳定,造成了表面粗糙度增加。随着切削深度的增加,切削厚度增加,切削面积增大,切削力增加,加工表面变形加大,刀具摆动加大。因此,随切削深度增加,试件的表面粗糙度增加。
3 铣削加工表层组织
3.1 铣削表面及切道侧面尖角处组织形貌
图7 (a) 为高速铣削加工一次走刀后切道侧面尖角处(图1 中D 处) 的组织形貌,图中左下角被拉伸呈带状已无晶粒特征的区域及晶粒发生明显的歪扭变形区域为加工过程产生的变质层,右上角母材组织为等轴晶粒。而在铣削表面(切道底面,图1 中A ,B , C 处) 的表层组织基本没有发现晶粒歪扭现象,如图7 ( b) 。只有在转速较低( n = 2 000 r/ min) 时的铣削表面的极少数区域可以观察到局部的变质组织,如图7 (c) 。
3.2 参数变化对铣削表面及切道侧面尖角处组织的影响
试验发现(如图7) ,铣削加工表面(切道底面) 和切道侧面尖角处(图1 中D 处) 的表层组织有着很大差异,中心处的晶粒没有发生晶粒歪扭,切道壁尖角处的晶粒歪扭变形明显。其他参数下也有如此规律。
本文认为这种差异主要是由3 个因素造成的。一是切削热的下降。在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转变为单元切屑,切屑与前刀面的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一,同样由于切削速度的提高,后刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少,后刀面的摩擦因此而减少。二是切屑带走了大量的热量。虽然切削点产生了瞬时最大温升,但在进给方向上即将被切削但尚未切削的部位,由于热源的迅速运动缩短了切削热向工件的传导时间,因而切削前部位温升甚微,向工件传热减少,因此在高速切削时,主要的切削热将由切屑导出,工件和刀具的温升都非常小。这就很大程度上降低了在铣削过程中力和热对工件表面的作用,因此在高速铣削表面很少产生,甚至不会产生变质层组织。三是刀具在切道侧面尖角处切削作用甚微,单齿切厚为零。在与进给速度垂直方向上切道的边缘位置,由于在该方向上进给速度的分量为零,刀具对边缘位置的切削作用很小,因而刀具在切道壁尖角处产生的热量除了刀具和周围环境的热传导外其余都大量传递给了工件,使得切道壁尖角处热力综合作用增强,产生了变质组织。
转速从3 000 r/ min 到10 000 r/ min 变化时,铣削表面表层组织几乎没有变化,但切道侧面尖
角处发生的塑性变形随着转速的升高而增大,晶粒的歪扭程度也增加,变质层厚度b 增大( ap =0115 mm 时,b 从2217μm 增加到4518μm ; ap =0125μm 时,b 从2818μm 增加到5210μm) ,如图8 所示。随着切削深度的增加,切道侧面尖角处变质组织厚度也有所增加。图9 反应了转速及切深变化对切道侧面尖角处变质组织厚度的影响。
刀具在切道壁尖角处单齿切厚为零,此处切削过程产生的热量大量传递给了工件,随着转速的上升,切削时的功率增大,产生的热量增多,那么此处传递给工件的热量也随之上升,所以切道侧面尖角处变质层厚度随转速的增加越来越厚。在本次试验中也观察到随着转速上升,铣削过程产生火花飞溅的现象。而切深引起的变质组织厚度的变化是刀具在切削过程中与工件力的作用增强的结果。
在试验中,铣刀一次走刀形成切道,随着转速的上升,切道壁尖角处变质层厚度越来越厚,而在铣削加工表面(切道底面) 上没有出现变质组织。所以在铣削平面或曲面时,一次走刀切道壁尖角位置形成的变质层会在相邻的下一次走刀时被切掉,在多次走刀铣削加工表层组织中几乎看不到变质组织。所以高速铣削是解决钛合金整体结构
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。
4 结 论
(1) 钛合金TC4 高速铣削时,切道中心的表面质量优于边缘。
(2) 在试验参数范围内,转速从3 000 r/ min到8 000 r/ min 变化时,铣削表面粗糙度呈下降趋势,而当转速为10 000 r/ min 时表面粗糙度有所回升。最佳表面粗糙度小于0.4 μm。切深ap =0.15 mm 的铣削表面质量整体上优于切深ap =0.25 mm 的铣削表面。
(3) 一次走刀切道侧面尖角处的晶粒歪扭变形明显,可以观察到变质区,并且随着转速及切深的增加变质组织厚度也随之增大。而绝大部分铣削表面表层组织中观察不到变形组织,只是在转速较低( n = 2 000 r/ min) 时的个别区域出现了少量的局部不连续的变质组织。
