引言
钛合金凭借其优异的比强度、耐热性和耐侵蚀机能,成为航空发起机和机体结构件的首选资料。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参与钨元素而研造的a型钛合金,在高温环境下能维持优良的力学机能和不变的化学性质,可能满足航空航天领域对资料在极端工况下的刻薄要求,被用于造作航空发起机靠近点火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资料。在铣削加工过程中,这些个性会导致切削力大、切削温度高、刀具磨损等问题,影响到工件的表表齐全性,最终影响零件的委顿机能和服役寿命。
工件铣削加工后的表表齐全性受进给量、铣削速度、铣削深度等铣削加工参数影响。提高铣削速度能够提高加工效能,但过高的速度会导致温度急剧上升,引发加工硬化、出现残存拉应力甚至表表烧伤等问题。提高铣削力会增大Ti60高温钛合金表表残存压应力和残存应力影响层深度[3]。雷勇等[4]钻研发现,进给速度对TC17钛合金表表粗糙度的影响最大,径向切削深度次之,铣削速度最幼。谭靓等钻研发现,球头刀铣削TC17钛合金的表表粗糙度受进给速度和铣削宽度的影响较大。姚倡锋等[6]钻研了高速铣削工艺对TC11钛合金加工表表粗糙度和表表描摹的影响法规,发现铣削速度和每齿进给量配比对表表描摹影响较大。MHAMDI等[7]钻研发现,进给速度对Ti-6Al-4V合金凹曲面铣削表表粗糙度和描摹影响最大。
目前,钛合金铣削加工钻研多集中在通例钛合金(如TC17钛合金)上,对Ti65高温钛合金的加工个性钻研相对较少。此表,在多参数耦合作用对表表齐全性的影响方面,钻研还不够系统和美满。为此,作者对Ti65高温钛合金进行了铣削试验,钻研了每齿进给量、铣削速度、铣削宽度和铣削深度对加工表表粗糙度、残存应力和硬度的影响,以期为改善Ti65钛合金加工表表质量、推动“以钛代镍”奠定理论基础。
1试样造备与试验步骤
试验资料为Ti65高温钛合金,由中国科学院金属钻研所提供,通过3次真空熔炼→铸造→1019℃x 2h热处置,空冷→(700℃5h)热处置,空冷造备而成,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%。
造取尺寸为40mm50mm60mm的铣削试样,选取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成分,表表粗糙度、表表残存应力和表表硬度为响应,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
| 序号 | 每齿进给量/ (mm·z-1) | 铣削速度/ (m·min-1) | 铣削宽度/ mm | 铣削深度/ mm |
| 1 | 0.01 | 30 | 2 | 0.5 |
| 2 | 0.01 | 60 | 4 | 1.0 |
| 3 | 0.01 | 90 | 6 | 1.5 |
| 4 | 0.01 | 120 | 8 | 2.0 |
| 5 | 0.04 | 30 | 4 | 1.0 |
| 6 | 0.04 | 60 | 2 | 1.0 |
| 7 | 0.04 | 90 | 8 | 1.0 |
| 8 | 0.04 | 120 | 6 | 1.0 |
| 9 | 0.07 | 30 | 6 | 2.0 |
| 10 | 0.07 | 60 | 8 | 1.5 |
| 11 | 0.07 | 90 | 2 | 1.0 |
| 12 | 0.07 | 120 | 4 | 0.5 |
| 13 | 0.01 | 30 | 8 | 1.0 |
| 14 | 0.01 | 60 | 6 | 0.5 |
| 15 | 0.01 | 90 | 4 | 2.0 |
| 16 | 0.01 | 120 | 2 | 1.5 |
铣削后,选取 MarSurf XT20型接触式粗糙度丈量仪测试表表粗糙度,每组试样测5次,统计表表粗糙度 Ra (特点概括的算术均匀误差)和 R v (最大概括谷深)。选取 Proto LXRD MG2000型X射线衍射应力仪测试表表残存应力,铜靶, K α 射线,电压为 25kV,电流为30mA;测试分歧深度残存应力时,对试样进行电化学侵蚀剥层处置,侵蚀介质为体积比 1: 5:
19的氢氟酸、硝酸和水,电压为30V,电流为0.3A,逐层侵蚀,每层深度为3μm。选取 Wilson 430SVD型维氏硬度计测试表表硬度,测3点取均匀值。垂直加工表表沿切削进给方向取样,抛磨后,选取Future-Tech FEM-8000型显微硬度计测试切削亚表层硬度,载荷为0.245N,保载功夫为10s,测试点间距为5μm,统一深度测3次取均匀值。
2、试验了局与会商
2.1对表表粗糙度的影响

每齿进给量、铣削速度、铣削宽度、铣削深度各水平的表表粗糙度 R a 的极差别离为0.859,0.025,0.143,0.240μm,表表粗糙度 R v 的极差别离为2.343,0.114,0.120,0.522μm。由极差判断,对表表粗糙度 R a 和 R v 的影响水平按由大到幼排序顺次为每齿进给量、铣削深度、铣削宽度、铣削速度。
基于试验数据成立铣削工艺参数对表表粗糙度的影响模型,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对残存应力的影响

基于试验数据成立铣削工艺参数对表表残存应力的影响模型,方程为
式中: σ 1 为平行于铣削进给方向的表表残存应力; σ 2 为垂直于铣削进给方向的表表残存应力。

2.3对硬度的影响

基于试验数据成立铣削工艺参数对表表硬度的影响模型,方程为

式中:H为表表硬度。

3、结论
(1)对铣削加工Ti65高温合金表表粗糙度的影响水平按由大到幼排序顺次为每齿进给量、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长,表表粗糙度增大;随着铣削速度增长或铣削宽度减幼,表表粗糙度略减幼但变动不显著。
(2)分歧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表残存应力均为压应力。每齿进给量和铣削速度对表表残存应力的影响较大,铣削宽度和铣削深度的影响较幼。随着每齿进给量增长、铣削速度减幼,表表残存压应力减幼;随着铣削宽度和铣削深度增长,表表残存压应力无显著变动。
(3)铣削深度对铣削加工Ti65高温合金表表硬度的影响最大,每齿进给量和铣削速度次之,铣削宽度最幼;随着铣削深度、每齿进给量、铣削速度和铣削宽度增长,表表硬度增大。
参考文件:
[1]陈子勇,刘莹莹,靳艳芳,等.航空发起机用耐650℃高温钛合金钻研近况与进展[J].航空造作技术,2019,62(19):22-30.
CHEN Z Y, LIU Y Y, JIN Y F, et al. Research on 650℃high temperature titanium alloy technology for aero-engine[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2019,62(19):22-30.
[2]王清江,刘建荣,杨锐.高温钛合金的近况与远景[J].航空资料学报,2014,34(4):1-26.
WANG Q J, LIU J R, YANG R. High temperature titanium alloys: Status and perspective[J]. Journal of Aeronautical
Materials,2014,34(4):1-26.
[3]李晖.Ti60高温钛合金热变形中的片层组织细化机造及节造钻研[D].西安:西北工业大学,2020.
LI H. The refinement mechanism and control of lamellar microstructure during hot deformation for Ti60 high-temperature titanium alloy[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University,2020.
[4]雷勇,赵威,何宁,等.TC17钛合金低温铣削表表粗糙度预测[J].中国机械工程,2022,33(5):583-588.
LEI Y,ZHAO W,HE N,et al. Prediction of surface roughness for cryogenic milling TC17 titanium alloys[J].China Mechanical Engineering,2022,33(5):583-588.
[5]谭靓,张定华,姚倡锋.高速铣削参数对TC17钛合金表表变质层的影响[J].航空资料学报,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.
[6]姚倡锋,张定华,黄新春,等.TC11钛合金高速铣削的表表粗糙杜纂表表描摹钻研[J].机械科学与技术,2011,30(9):1573-1578.
YAO C F, ZHANG D H, HUANG X C, et al. Exploring surface roughness and surface morphology of high-speed milling TC11 titanium alloy[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2011, 30(9):1573-1578.
[7] MHAMDI M B, BOUJELBENE M, BAYRAKTAR E,et al. Surface integrity of titanium alloy Ti-6Al-4V in ball end milling[J].Physics Procedia,2012,25:355-362.
[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高温钛合金加工表表齐全性的影响)
有关链接
- 2026-03-05 Ti65合金饼坯锻件650℃悠久机能及位错演变法规钻研
- 2026-02-13 Ti65高温钛合金厚截面锻件固溶冷却工艺钻研:次生α相调控与室温高温机能协同匹配
- 2025-12-02 Ti65高温钛合金超塑变形晶粒细化与动态再结晶钻研
