TC4钛合金高速铣削表面粗糙度研究

曹婷婷

　　摘 要：TC4 钛合金被广泛地用于航空航天等众多领域，为了提高钛合金零件的表面加工质量和加工效率，对 TC4 钛合金高速铣削表面粗糙度进行研究具有十分重要的意义。

　　关键词：TC4 钛合金；正交试验；切削参数；表面粗糙度；

　　1 引言

　　TC4 钛合金具有优良的耐腐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性等优点，在航空航天等许多行业都得到广泛的应用。从现在的行业和产品上来看，所有钛合金产品中有大约60％的产品原料为 Ti-6Al-4V，α+β 钛合金是工业上应用最多的一类钛合金。在实际应用中，对钛合金产品的表面粗糙度要求很高，因为表面粗糙度与零件接触刚性、耐磨性以及产品的疲劳强度和振动等许多方面都存在着密切的联系，这些方面会严重影响到机械产品的使用寿命，表面粗糙度已经成为衡量表面质量的一项重要指标。因此，研究钛合金零件的表面质量，降低表面粗糙度有着十分重要的意义。目前，对不同型号钛合金的研究十分普遍，主要研究方法有支持向量机法、响应曲面法和正交试验法等。在已有的采用正交试验法的钛合金表面粗糙度研究中多选择三个试验因素，而在切削加工中能够对产品表面质量产生影响的因素有很多，其中切削参数、不同零件的结构特点、刀具类型和材料、加工中随机因素等方面，特别是切削参数对产品粗糙度的会产生巨大的影响。

　　2 正交试验方案设计

　　2.1 确定试验因素和水平

　　正交试验法是一种科学地安排与分析多因素试验的方法，主要作用是能够用较少的试验次数找出不同因素及水平间的最优搭配。进行正交试验的第一步工作就是明确试验目的，在此基础上确定试验指标，根据经验和手册选择影响因素，将同一因素设置出不同的因素水平，再将因素和水平进行合理的搭配形成正交表。在铣削加工中最主要的切削参数有每齿进给量 fz、加工中刀具的切削深度 ap、机床的主轴转速 n 和切削宽度 ae，所以选取以上 4 个切削参数作为试验因素，根据钛合金 TC4 高速加工的生产经验和加工手册选取 4 个水平，建立正交试验表 L16（45）。

　　2.2 加工试验条件

　　（1）试件材料规格.钛合金 TC4 材料尺寸（240×50×50）mm，用线切割将上表面切割成台阶状，目的是避免不同加工条件下的刀具切削路径相互产生干涉和混淆。因为试验的最大切削深度为0.4mm、最大切削宽度为 8mm，所以将每个台阶切割成高 2mm、宽10mm，共 24 个台阶面，16 个台阶面的参数用于正交试验，另外 8个台阶面所得到的参数用于验证试验结论的有效性。

　　（2）机床和刀具。加工试验选择瑞士的 MIKRON UCP duro五轴加工中心，最高转速为 20000r/min。铣削刀具选择以色列生产的 Φ10mm 四刃钨钴类硬质合金立铣刀。

　　（3）测量仪器。表面粗糙度检测采用瑞士的 Trimos trscan 三维形貌仪进行。

　　3 切削试验及表面粗糙度检测

　　3.1 切削试验

　　在五轴加工中心上按照试验方案设计的切削参数进行铣削加工。

　　3.2 表面粗糙度检测

　　铣削加工结束后，在 Trimos trscan 三维形貌仪进行表面粗糙度检测。

　　4 极差分析

　　通过试验数据的极差分析，不仅可以得到各个因素水平搭配的最优组合，而且还能得到各个影响因素对指标影响的主次顺序以及指标随各个因素变化时的变化规律[8]，利用数据进行极差分析。4 个切削参数对高速铣削 TC4 钛合金表面粗糙度影响的主次顺序是每齿进给量 fz、切削深度 ap、主轴转速 n、切削宽度 ae。

　　随着主轴转速升高，表面粗糙度值增大。分析其原因是由于随着转速的不断升高使得钛合金材料的变形量在很短的时间内形成，虽然采用了油冷却的方式还是产生大量的切削热，使得钛合金切屑粘结在刀刃上，刀具切削能力下降，使表面粗糙度值不断增大；同时，当转速增加到一定值之后，机床和刀具之间的作用力与反作用力增大，使其振动加强，造成刀具在铣削加工过程中运行不稳定，从而形成表面粗糙度值不断增大的结果，所以铣削 TC4 钛合金时不能一味追求高转速。

　　刀具在加工中切削深度的增加，能够使工件的表面粗糙度值产生增大的趋势。究其原因在于随着切削深度的增加，刀具受力增大、振动加强，所以表面粗糙度值增加。在机械加工中首先要保证工件质量，在此基础上，兼顾加工成本和加工效率，合理选择切削深度。

　　随着切削宽度的增加，表面粗糙度值增大。原因在于随着切削宽度的增加，刀具与工件表面接触面积增大，刀具受力增大、振动加强，所以表面粗糙度值增加，同样考虑到加工效率，也应该在能够达到表面质量要求的情况下选择较大的切削宽度。

随着每齿进给量的增加，钛合金切削试件的表面粗糙度值有着显著增大的趋势。原因在于每齿进给量的增加使得刀具单位时间内切削长度增大，去除材料量增大，铣削力增大 ，所以表面粗糙度值也增大。从正交试验的极差分析中得出了 4 个试验因素对表面粗糙度影响趋势，但没有得到它们之间比较确切的关系，所以还要进行多元线性回归分析，建立表面粗糙度预测模型。

表1 正交试验结果

表2试验结果分析表

　　5 结论

　　选取了 16 组不同铣削参数进行组合对 TC4 钛合金进行铣削加工的试验方案，测量出工件表面粗糙度值，利用极差分析和多元线性回归对所得试验数据进行计算和分析，得到表面粗糙度预测模型，再利用另外 8 组试验数据对表面粗糙度预测模型进行检验，可以得出以下结论：（1）4 个切削参数对高速铣削 TC4 钛合金表面粗糙度影响的主次顺序是每齿进给量 fz、切削深度 ap、主轴转速n、切削宽度 ae。（2）每齿进给量 fz 增加，使工件表面粗糙度值增大；主轴转速 n 升高，表面粗糙度值增大；切削深度 ap 增加，表面粗糙度值增大；切削宽度 ae增加，表面粗糙度值增大。（3）通过 F 值检验法分别对预测模型方程和模型系数进行显著性检验，结果证明预测模型方程和模型系数都是显著的。（4）安排了另外 8 组铣削参数对表面粗糙度预测模型进行检验，结果显示预测误差比为（1.9～8.9）%，证明建立的 TC4 钛合金加工表面粗糙度预测模型具有较高的精度，可以对 TC4 钛合金加工表面粗糙度进行预测。

　　参考文献

　　［1］徐建建，耿国盛，李国红.预应力切削加工 TC4 钛合金表面残余应力的有限元模拟［J］.机械工程材料，2015，39（6）：105-110.

　　［2］林艳华.机械制造技术基础［M］.北京：化学工业出版社，2010：25-27.

　　［3］黄晓明，孙杰.高速铣削 7050-T7451 铝合金表面粗糙度研究［J］.中国工程机械学报，2014，12（6）：248-251.