TB6鈦合金是一種高強(qiáng)、高韌，并具有優(yōu)良熱加工性的近β型鈦合金，因其優(yōu)良的綜合性能而受到各國學(xué)者的關(guān)注。TB6 鈦合金的比強(qiáng)度高，能有效減輕結(jié)構(gòu)件重量，在飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼和起落架結(jié)構(gòu)中使用該合金代替同等強(qiáng)度的 30CrM nSiA 結(jié)構(gòu)鋼，可減輕重量約40% ，用TB6鈦合金代替TC4可減輕結(jié)構(gòu)重量約 20% ，因此對于飛機(jī)制造業(yè)來說，該合金具有廣泛的應(yīng)用空間[1] 。

表面粗糙度和表面形貌是描述和評價(jià)構(gòu)件表面質(zhì)量的重要特征。其優(yōu)劣對構(gòu)件的耐磨性能、疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能等具有重要的決定作用[2] 。由斷裂力學(xué)可知，表面粗糙度值愈大、表面的溝痕愈深、紋底半徑愈小、應(yīng)力集中愈嚴(yán)重，抗疲勞破壞的能力就愈差。因此表面粗糙度增大，會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，這種現(xiàn)象對高強(qiáng)度合金材料更為突出[3] 。因此在進(jìn)行高強(qiáng)度合金材料的加工中，必須注重對表面粗糙度和表面形貌的控制。而高速加工技術(shù)是保障構(gòu)件表面粗糙度和表面形貌的重要加工技術(shù)之一。

目前國內(nèi)外對鈦合金高速切削的表面完整性進(jìn)行著積極研究。I.S.Jawahir等[4] 對材料去除過程中的表面完整性特征研究的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述性報(bào)道。J.Sun等[5] 針對TC4研究了端銑加工的表面粗糙度，其研究參數(shù)范圍內(nèi)銑削表面呈各向異性，表面粗糙度值從 0.6μm變化到 1.0μm，表面粗糙度值隨進(jìn)給和軸向切深增大而升高，而隨著切削速度的增大略微減小，但變化范圍較小。G .A .Ibrahim 等[6] 研究了銑削速度在 55~95 m /m in之間TC4在干切削條件下的表面完整性，研究表明表面粗糙度都在 1~4μm之間。Elm agrabi等[7] 研究了銑削速度為 77.5 m /min時(shí)涂層硬質(zhì)合金刀具加工TC4的表面粗糙度，研究表明：進(jìn)給速度越大表面粗糙度越大，當(dāng)每齒進(jìn)給量為 0.1mm/z時(shí)，表面粗糙度在 0.2~0.4μm之間。A.L.M antle等[8] 對高速銑削 γ -TiAl合金表面完整性進(jìn)行了研究，其表面粗糙度都低于 1.5μm。C.H .Che-H arona 等[9 - 10] 對高速銑削和車削TC4從表面粗糙度、殘余應(yīng)力、微觀組織和顯微硬度等幾方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。Rao等[11] 基于單因素試驗(yàn)方法研究高速銑削時(shí)，高主軸轉(zhuǎn)速可獲得的表面粗糙度都在 0.4μm以下。史興寬等[12] 進(jìn)行了高速切削條件和常規(guī)切削條件下TC4的對比切削試驗(yàn)，結(jié)果表明高速銑削在提高制造效率和改善表面質(zhì)量上都是有益的。杜隨更、楊振朝等 [13- 14] 研究發(fā)現(xiàn)，在平底刀銑削TC4時(shí) , 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速由 3000r/m in增大到 10000r/min時(shí) , 表面質(zhì)量越來越好。

盡管在鈦合金高速銑削方面國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究，但現(xiàn)有研究往往局限于工藝參數(shù)對表面粗糙度的研究，關(guān)于三維表面形貌的研究還很少。本文以航空結(jié)構(gòu)件常用的TB6鈦合金為對象，通過高速端面銑削正交試驗(yàn)，研究高速銑削參數(shù)對表面粗糙度和三維表面形貌的影響，為TB6航空結(jié)構(gòu)件高速銑削提供參數(shù)選擇的依據(jù)和方法。

1、TB6 鈦合金高速銑削試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為TB6合金，屬于高強(qiáng)高韌β型鈦合金，主要化學(xué)成分如表 1 所示。其室溫和高溫力學(xué)性能如表 2 所示。

1.2　試驗(yàn)方案

TB6鈦 合 金 高 速 銑 削 試 樣 尺 寸 設(shè) 計(jì) 為55mm×50mm×25mm。所有銑削試驗(yàn)都在 V M C-850三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床上進(jìn)行，機(jī)床功率為 22kW ，主軸轉(zhuǎn)速范圍為 0~8000r/m in。根據(jù)機(jī)床和試件材料，選擇四齒硬質(zhì)合金立銑刀，無涂層，刀具直徑為 10mm，前角6°，后角 12°，螺旋角 30°。銑削方式為端銑，順銑；冷卻方式為乳化液。銑削過程如圖 1 所示。

為研究TB6鈦合金端銑加工參數(shù)對表面粗糙度及三維表面形貌的影響，采用三因素三水平正交試驗(yàn)。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)條件，選定影響表面粗糙度的主要3 個(gè)銑削因素為銑削速度 v _c 、每齒進(jìn)給量 f _z 和銑削寬度a _e 。其中銑削深度 a _p 均固定為 0.2mm。正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表 3 所示。

1.3　表面粗糙度與表面形貌測試

加工后的表面粗糙度和表面形貌用三維光學(xué)表面形貌測試儀 V eeco測量。在銑削面沿進(jìn)給方向，等距選取 5 個(gè)點(diǎn)，如圖 1 中的 1 點(diǎn)、2 點(diǎn)到第 5 點(diǎn)，測量每點(diǎn)表面粗糙度 R _a 值并求取平均值，最后 R _a 的測試結(jié)果見表3。測量時(shí)放大倍數(shù)為 10 倍，測量分辨率為 736×480，測量點(diǎn)取樣大小為 830.22nm ×830.22nm 。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　表面粗糙度分析

對表 3 所示的正交試驗(yàn)中測得的表面粗糙度數(shù)據(jù)，應(yīng)用多元線性回歸分析方法建立TB6高速端面銑削時(shí)的表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式：

由該公式可看出，每齒進(jìn)給量對 R _a 的影響最為顯著，而銑削速度次之，銑削寬度最小。

采用直觀分析法建立工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響曲線如圖 2 所示。圖 2（a）為高速銑削速度對表面粗糙度的影響規(guī)律曲線。當(dāng)切削速度在 60~140m /min范圍變化時(shí)，平均表面粗糙度 R _a 可控制在 0.6μm以下，而且隨著銑削速度的增加，表面粗糙度有減小的趨勢，其粗糙度值從 0.55μm變化到 0.48μm以內(nèi)。其原因是銑削速度對積屑瘤和鱗刺的影響非常顯著，銑削速度較低時(shí)，由于銑削力大和銑削溫度高，很容易產(chǎn)生鱗刺和形成積屑瘤，粗糙度也大；隨著銑削速度的升高，銑削溫度會(huì)隨之升高而導(dǎo)致材料軟化易切削，雖然銑削力也會(huì)有所降低，但是銑削過程非常鋒利，鱗刺和積屑瘤都不易產(chǎn)生，表面粗糙度會(huì)減小。

圖 2（b）為每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響規(guī)律。

從幾何因素中可知，減小進(jìn)給量可降低殘留面積的高度，同時(shí)也可以降低積屑瘤和鱗刺的高度，因而減小進(jìn)給量可以使表面粗糙度值減小。但進(jìn)給量減小到一定值時(shí)，如果再減小，塑性變形漸漸占主導(dǎo)地位，粗糙度值不會(huì)明顯下降。所以，在高速銑削加工中盡可能采用較小的每齒進(jìn)給量。由圖 2（b）可知，當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.04mm/z 變化到 0.12mm/z 時(shí)，表面粗糙度越來越大，從0.4μm變化到 0.64μm，其變化開始較平緩，在每齒進(jìn)給量為 0.08mm/z之后變化有所加劇。

圖 2（c）為銑削寬度對表面粗糙度的影響規(guī)律。

可以看出，端銑加工時(shí)隨著銑削寬度的增大，表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢，這主要是由于在銑削寬度增大到一定值時(shí)，隨著銑削寬度的繼續(xù)增大會(huì)使銑削力和銑削溫度增大，容易產(chǎn)生鱗刺和形成積屑瘤，對表面粗糙度會(huì)帶來不利的影響。在試驗(yàn)研究的高速切削參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)銑削寬度從 3mm變化到 5mm時(shí)，表面粗糙度從 0.597μm下降到 0.321μm；當(dāng)銑削寬度從 5m m變化到 7mm時(shí)，表面粗糙度從 0.321μm急劇增大到0.624μm。

2.2　高速銑削三維表面形貌分析

圖 3（a）~ 圖 3（i）為正交銑削試驗(yàn)中 1#~9# 件的表面形貌測試結(jié)果。發(fā)現(xiàn)所有銑削表面都存在沿銑削方向的加工紋理，呈現(xiàn)一高一低的階梯狀。銑削后工件表面產(chǎn)生波紋狀的表面紋理，它是銑刀與工件相對移動(dòng)后最終形成的表面形貌，清晰地反映出了銑刀切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖 3（a）~ 圖 3（i）中，均有沿刀具進(jìn)給方向均勻間隔突起的棱脊，每條均勻間隔突起的棱脊沿刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向位移量等于銑削參數(shù)中的每齒進(jìn)給量。在均勻間隔突起的棱脊之間分布有沿切削運(yùn)動(dòng)方向的細(xì)小溝槽。這種溝槽一方面是刀具表面上硬質(zhì)點(diǎn)對工件加工表面的犁耕，另一方面是刀具磨損表面上粗糙溝槽在工件加工表面上的復(fù)制。在圖 3（i）中，可以看到明顯的交叉紋理，分析其原因是采用了較大的每齒進(jìn)給量0.12mm/z，和較大的切削速度 140m /m in。在圖 3（b）中，可看出加工紋理比較均勻，切削表面微觀形態(tài)沒有明顯劃傷，粗糙度值也為本次試驗(yàn)最小，約為 0.132μm，其原因是采用了較大的切削速度 100m /min和小的每齒進(jìn)給量 0.04mm/z。

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)銑削速度和每齒進(jìn)給量的配比組合會(huì)影響表面形貌，而銑削寬度對表面形貌影響難以獲得有效規(guī)律。其中，圖 3（a）、圖 3（b）、圖 3（c）中的表面形貌均為均勻流線狀，粗糙度均在 0.6μm以內(nèi)，由其對應(yīng)的參數(shù)可知：無論銑削速度、銑削寬度在試驗(yàn)范圍的取值如何，只要每齒進(jìn)給量為 0.04mm/z，表面形貌呈均勻流線狀，表面粗糙度可保持在 0.132~0.538μm之間。

而當(dāng)每齒進(jìn)給量為 0.08mm/z時(shí)，隨著銑削速度的增加，表面的交叉織網(wǎng)狀形貌由稀疏（圖 3（d）、圖 3（e））向緊密（圖 3（f））變化。當(dāng)每齒進(jìn)給量為 0.12mm/z時(shí)，隨著銑削速度的增加，表面由無交叉均勻流線狀形貌（圖3（g））向交叉織網(wǎng)狀（圖 3（h）、圖 3（i））變化，均勻間隔突起的棱脊的間距越來越大，其由密集向稀疏變化，這是由于銑削時(shí)銑刀前一齒與后一齒之間會(huì)有殘留高度，而當(dāng) f z 保持一致，銑削速度高時(shí)，進(jìn)給速度也很快，使得這些突起的棱脊在進(jìn)給方向的位移量增大。這種現(xiàn)象 f z 越大越明顯，如圖 3（g）、圖 3（h）、圖 3（i）所示，f z 越小越不明顯，如圖 3（a）、圖 3（b）、圖 3（c）所示。

由于每條均勻間隔突起的棱脊沿刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向位移量等于銑削參數(shù)中的每齒進(jìn)給量，所以無論銑削速度和銑削寬度取何值，隨著每齒進(jìn)給量的增加，均勻間隔突起的棱脊的間距都將越來越大，如圖 3（b）、圖 3（f）、圖 3（i）所示。

3、結(jié)論

通過TB6鈦合金銑削參數(shù)對表面粗糙度影響的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）TB6 高速端銑加工時(shí)，在研究的參數(shù)變化范圍內(nèi)，表面粗糙度對每齒進(jìn)給量變化最為敏感 , 對銑削速度的變化敏感次之，對銑削寬度變化最不敏感。

（2）銑削速度優(yōu)選范圍為 100~140m /m in，每齒進(jìn)給量優(yōu)選范圍為 0.04~0.08mm/z，可保障表面粗糙度在0.7μm以內(nèi)。

（3）銑削速度和每齒進(jìn)給量配比組合影響表面形貌的形成，只要每齒進(jìn)給量為 0.04mm/z，表面粗糙度可保持在 0.132~0.538μm之間，其三維表面形貌均呈無交叉均勻流線狀。

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