钛合金TB6铣削表面残余应力研究

钛合金TB6铣削表面残余应力研究

向波罗;杨后川;李召华;王春净;赵振峰

【摘要】钛合金TB6铣削加工表面残余应力对其使用性能可产生较大影响.试验研究了铣削参数,干铣削、冷铣削,刀具磨损等对表面残余应力的影响规律以及残余应力深度分析.结果表明,铣削速度和进给量对残余压应力影响明显,铣削深度对残余压应力影响小;干铣削表面表现为残余拉应力,残余拉应力随速度增大而增大,冷铣削表面表现为残余压应力,残余压应力随速度增大而减小;刀具磨损量对表面残余应力会产生较大的影响,随着刀具磨损量的增加,残余压应力逐渐增大;冷铣削导致的残余应力深度为20～30μm,干铣削导致的残余应力深度为30～40μm,刀具磨损量

VB=0.18 mm时铣削导致的残余应力深度>50μm,最大残余应力值均出现在表面或者表面以下10μm内,残余应力沿深度方向分布大致呈\"勺\"型.研究结果对钛合金TB6铣削加工表面残余应力控制具有实用价值.

【期刊名称】《新技术新工艺》

【年(卷),期】2018(000)010

【总页数】5页(P28-32)

【关键词】铣削参数;刀具磨损;残余应力;钛合金TB6;干铣削;冷铣削

【作者】向波罗;杨后川;李召华;王春净;赵振峰

【作者单位】95903 部队,湖北武汉 430331;空军工程大学航空机务士官学校航空修理工程系,河南信阳 464000;空军工程大学航空机务士官学校航空修理工程系,河南信阳 464000;空军工程大学航空机务士官学校航空修理工程系,河南信阳464000;空军工程大学航空机务士官学校航空修理工程系,河南信阳 464000

【正文语种】中文

【中图分类】TG501.2

钛合金TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)是一种高强、高韧，并具有优良铸锻性与淬透性的近β型钛合金，在飞机机身、起落架、直升机中央件和旋翼连接件等结构或部件中大量使用，在现代飞机结构中具有重要地位[1-2]。残余应力是衡量零部件表面质量的重要指标之一，其性质和大小对零件变形、疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性均有重要影响[3]。在实际切削加工时，应尽可能减少零件表面残余应力，或控制残余应力表现为压应力，并适当增加压应力深度，以提高零件的综合力学性能[4-5]。

目前，国内外对钛合金铣削加工表面残余应力进行着积极研究。Sun和Guo[6]研究了铣削钛合金时切削速度和进给量对表面残余应力的影响指出，表面残余应力呈现随切削速度增大而先减少后增大，随进给量增大而先增大后减少的趋势。

J.D.P.Velasquez[7]研究表明，在高速数控车削加工时，随着切削速度的增大，表面残余压应力减小，拉应力增加；当切削速度继续增大时，表面残余拉应力有减少趋势。史恺宁等[8]研究侧铣钛合金TB6时发现，在保证铣削速度不变的情况下，当每齿进给量和铣削宽度增大到一定程度时，表面残余压应力有所增大，在表层出现残余拉应力，且残余应力层变深。L.chen等[9]在车削TC4时发现，要避免在已加工表面产生残余拉应力，应尽量控制刀具磨损量的大小。程敢峰[10]通过试验探究了刀具后刀面磨损和切削力对工件表面残余应力的影响，结果表明，切削力、刀具磨损状态是影响表面残余应力的重要因素。田荣鑫等[11]用球头刀铣削TC17得到了刀具磨损量VB对残余压应力沿深度分布的影响规律，即在深度分布方向，残余应力先增大到最大压应力值后，逐渐减小并趋向于零；表面残余应力、最大残余压应力和残余应力深度均随刀具磨损量增大呈增大趋势。

本文通过开展铣削参数、干铣削和刀具磨损等对表面残余应力的影响研究，为

TB6铣削加工表面质量控制提供技术基础。

1 试验准备

试件采用外形尺寸为20 mm×20 mm的去应力退火方柱。试件装夹如图1所示。图1 试件装夹

试件材料(钛合金TB6)的化学成分组成见表1，力学性能见表2[12-13]。

表1 钛合金TB6化学成分(质量分数) (%)AlVFeTi2.6～3.49.0～11.01.6～2.2余量表2 钛合金TB6力学性能屈服强度RP0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa疲劳极限

/MPa硬度/HV断裂韧性KIC/MPa·m1 0051 105735375≥60

钛合金TB6铣削试验均在三坐标立式数控铣床上进行。该机床功率为22 kW，主轴转速为0～10 000 r/min。用型号为R390-50Q22-17L的山特维克盘铣刀，刀片型号为R390-17 04 31E-PM S30T，刀尖圆弧半径为3～3.2 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 铣削参数对表面残余应力影响分析

铣削参数对残余应力影响试验结果见表3。由表3得到的铣削参数对表面残余应力的影响规律曲线如图2所示。

表3 铣削参数对表面残余应力的影响铣削速度vc/m·min-1每齿进给量fz/mm·z-

1铣削深度ap/mm 表面残余应力/MPa进给方向垂直进给方向20-414.65-402.48500.080.5-433.18-488.7580-294.49-436.680.04-342.89-

413.64200.080.2-409.97-418.850.12-197.47-487.020.5-414.65-

402.48200.080.2-409.97-418.850.35-399.57-418.20

图2 铣削参数对残余应力的影响

从图2a可以看出，在铣削速度为20～80 m/min时，残余应力值随切削速度的增大先略增大而后减小，表现为压应力。具体分析如下：1)随着铣削速度的增加，铣削力增大，由于钛合金TB6弹性模量小，已加工表面弹性恢复大，刀具后刀面对

工件表面的挤压作用强，即挤压效应强，引起的残余压应力增大；2)随着铣削力增大，铣削层塑性变形区域增大，变形程度加重，塑性突出效应也强，引起残余拉应力变大；3)工件表面铣削温度随铣削速度的增大而升高，在乳化液冷却情况下，加工表面温度不超过相变温度，热效应引起的残余拉应力不十分明显。可见，挤压效应引起的残余压应力较塑性突出效应和热效应引起的残余拉应力大，残余拉、压应力叠加后表现为残余压应力，随着铣削速度增大，挤压效应引起残余压应力增大明显，在挤压效应、塑性突出效应和热效应共同作用下，表面残余压应力值减小，残余压应力值随速度增大而减小，这与王素玉[14] 的研究结果相似。此外，刀具进

给方向与工件材料剪切方向的夹角小，在进给方向上挤压、摩擦、延展作用强于垂直进给方向，导致在进给方向出现较大的残余压应力，垂直进给方向上呈现出较小的残余压应力。可见，要想获得好的残余应力，可以采用高速度冷却润滑铣削。

从图2b可以看出，在每齿进给量从0.04 mm/z升高到0.08 mm/z的过程中，表面残余应力大小始终保持在-340～-420 MPa；当每齿进给量达到0.12 mm/z时，垂直进给方向的残余应力值接近-500 MPa，均为压应力。具体分析如下：1)随着进给量增加，切削力增大，挤压引起的塑性变形增大，挤压效应引起的表面残余压应力增大，塑性突出效应引起的残余拉应力也增大；2)在20 m/min的速度下冷

却润滑铣削，切削温度变化不大，热效应引起的表面残余拉应力变化不大；3)已加工表面表现为残余压应力，可见挤压效应引起的压应力大于塑性突出效应和热效应引起的拉应力；4)当进给量增加较大时，挤压效应将更大于塑性突出效应，加工表面残余压应力表现越明显。可见，要想获得大的残余压应力，可适当增加每齿进给量。