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

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  R_a (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:

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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

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[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.

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[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.

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（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）