铣削参数对Ti65高温钛合金表面粗糙度/残余应力/硬度的影响规律：每齿进给量是表面粗糙度首要影响因素,铣削速度与每齿进给量主导残余压应力变化,构建多参数-多响应关联模型,为航空发动机高压压气机部件铣削工艺制定提供科学支撑

引言

钛合金凭借其优异的比强度、耐热性和耐腐蚀性能，成为航空发动机和机体结构件的首选材料。Ti65高温钛合金是以Ti60钛合金为基础，通过提高钽元素含量、降低钼和铌元素含量并加入钨元素而研制的a型钛合金，在高温环境下能保持良好的力学性能和稳定的化学性质，能够满足航空航天领域对材料在极端工况下的苛刻要求，被用于制造航空发动机靠近燃烧室部位的高压压气机叶片、叶盘以及相应机匣等部件[1-2]。然而，钛合金固有的低热导率、高化学活性和低弹性模量等特点使其成为一种典型的难加工材料。在铣削加工过程中，这些特性会导致切削力大、切削温度高、刀具磨损等问题,影响到工件的表面完整性，最终影响零件的疲劳性能和服役寿命。

工件铣削加工后的表面完整性受进给量、铣削速度、铣削深度等铣削加工参数影响。提高铣削速度可以提高加工效率,但过高的速度会导致温度急剧上升，引发加工硬化、出现残余拉应力甚至表面烧伤等问题。提高铣削力会增大Ti60高温钛合金表面残余压应力和残余应力影响层深度[3]。雷勇等[4]研究发现,进给速度对TC17钛合金表面粗糙度的影响最大，径向切削深度次之，铣削速度最小。谭靓等研究发现,球头刀铣削TC17钛合金的表面粗糙度受进给速度和铣削宽度的影响较大。姚倡锋等[6]研究了高速铣削工艺对TC11钛合金加工表面粗糙度和表面形貌的影响规律，发现铣削速度和每齿进给量配比对表面形貌影响较大。MHAMDI等[7]研究发现,进给速度对Ti-6Al-4V合金凹曲面铣削表面粗糙度和形貌影响最大。

目前,钛合金铣削加工研究多集中在常规钛合金(如TC17钛合金)上，对Ti65高温钛合金的加工特性研究相对较少。此外，在多参数耦合作用对表面完整性的影响方面，研究还不够系统和完善。为此,作者对Ti65高温钛合金进行了铣削试验,研究了每齿进给量、铣削速度、铣削宽度和铣削深度对加工表面粗糙度、残余应力和硬度的影响，以期为改善Ti65钛合金加工表面质量、推进“以钛代镍”奠定理论基础。

1试样制备与试验方法

试验材料为Ti65高温钛合金,由中国科学院金属研究所提供,通过3次真空熔炼→锻造→1019℃x 2h热处理,空冷→(700℃5h)热处理,空冷制备而成,其化学成分(质量分数/%)为5.75Al,4.0Sn,3.5Zr,0.5Mo,0.3Nb,1.0Ta,0.4Si,0.8W,0.055C,余Ti。合金的抗拉强度为1214MPa,屈服强度为1107MPa,断后伸长率为9.8%,断面收缩率为13.3%。

制取尺寸为40mm50mm60mm的铣削试样,采用VMC850型立式数控加工中心进行铣削试验,铣刀为氮铝化钛涂层硬质合金刀具,铣刀直径为12mm,齿数为4,螺旋角为35°,选择每齿进给量、铣削速度、铣削宽度和铣削深度为试验因素,表面粗糙度、表面残余应力和表面硬度为响应，设计正交试验,参数设置见表1。

表1正交试验参数

Table 1 Orthogonal test parameters

铣削后,采用 MarSurf XT20型接触式粗糙度测量仪测试表面粗糙度,每组试样测5次,统计表面粗糙度  R_a (特征轮廓的算术平均偏差)和  R v (最大轮廓谷深)。采用 Proto LXRD MG2000型X射线衍射应力仪测试表面残余应力,铜靶,  K α 射线,电压为 25kV,电流为30mA;测试不同深度残余应力时,对试样进行电化学腐蚀剥层处理,腐蚀介质为体积比 1: 5:

19的氢氟酸、硝酸和水,电压为30V,电流为0.3A,逐层腐蚀,每层深度为3μm。采用 Wilson 430SVD型维氏硬度计测试表面硬度，测3点取平均值。垂直加工表面沿切削进给方向取样,抛磨后,采用Future-Tech FEM-8000型显微硬度计测试切削亚表层硬度,载荷为0.245N,保载时间为10s,测试点间距为5μm,同一深度测3次取平均值。

2、试验结果与讨论

2.1对表面粗糙度的影响

每齿进给量、铣削速度、铣削宽度、铣削深度各水平的表面粗糙度  R a 的极差分别为0.859,0.025,0.143,0.240μm,表面粗糙度  R v 的极差分别为2.343,0.114,0.120,0.522μm。由极差判断,对表面粗糙度  R a 和  R v 的影响程度按由大到小排序依次为每齿进给量、铣削深度、铣削宽度、铣削速度。

基于试验数据建立铣削工艺参数对表面粗糙度的影响模型,方程为

式中:  f z 为每齿进给量;  v c 为铣削速度;  a e 为铣削宽度;  a p 为铣削深度。

2.2对残余应力的影响

基于试验数据建立铣削工艺参数对表面残余应力的影响模型,方程为

式中:  σ 1 为平行于铣削进给方向的表面残余应力;  σ 2 为垂直于铣削进给方向的表面残余应力。

2.3对硬度的影响

基于试验数据建立铣削工艺参数对表面硬度的影响模型,方程为 

式中:H为表面硬度。

3、结论

(1)对铣削加工Ti65高温合金表面粗糙度的影响程度按由大到小排序依次为每齿进给量、铣削深度、铣削宽度、铣削速度。随着每齿进给量和铣削深度增加，表面粗糙度增大;随着铣削速度增加或铣削宽度减小，表面粗糙度略减小但变化不显著。

(2)不同铣削工艺参数下铣削加工Ti65高温合金后,平行于和垂直于铣削进给方向的表面残余应力均为压应力。每齿进给量和铣削速度对表面残余应力的影响较大，铣削宽度和铣削深度的影响较小。随着每齿进给量增加、铣削速度减小，表面残余压应力减小;随着铣削宽度和铣削深度增加,表面残余压应力无明显变化。

(3)铣削深度对铣削加工Ti65高温合金表面硬度的影响最大，每齿进给量和铣削速度次之，铣削宽度最小;随着铣削深度、每齿进给量、铣削速度和铣削宽度增加，表面硬度增大。

参考文献:

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[2]王清江,刘建荣,杨锐.高温钛合金的现状与前景[J].航空材料学报,2014,34(4):1-26.

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[4]雷勇,赵威,何宁,等.TC17钛合金低温铣削表面粗糙度预测[J].中国机械工程,2022,33(5):583-588.

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[5]谭靓,张定华,姚倡锋.高速铣削参数对TC17钛合金表面变质层的影响[J].航空材料学报,2017,37(6):75-81.TAN L, ZHANG D H, YAO C F. Effect of high-speed milling parameters on surface metamorphic layer of TC17 titanium alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials,2017,37(6):75-81.

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[8]HAN K P,TAN L, YAO C F,et al. Studies on the surface characteristics of Ti60 alloy induced by turning combined with ball burnishing[J]. Journal of Manufacturing Processes,2022,76:349-364.

（注，原文标题：铣削工艺参数对Ti65高温钛合金加工表面完整性的影响）