旋轉超聲銑削工藝參數對TC18鈦合金方塊表面粗糙度及疲勞壽命的協同調控研究——明確最優銑削參數，揭示超聲能量攝入對疲勞強化的作用機制，支撐航空用鈦合金材料抗疲勞制造

引言

超聲振動銑削是利用超聲波使刀具在自轉的同時進行高頻振動，將材料先擊碎?再去除，刀具與工件被加工表面斷續接觸，有利于切削液的流動，充分發揮潤滑冷卻作用，有效減少銑刀?切屑和工件間的摩擦，大大降低被加工工件表面宏觀切削力，顯著提高加工表面的精度和質量。該方法被廣泛應用于鈦合金?硬脆材料和纖維復合材料等難加工材料的加工[1-3]。

鈦合金因其優異的比強度?比剛度和耐腐蝕特性在航空航天領域有著廣泛的發展前景。但是，由于鈦合金導熱系數小?表面硬化嚴重等原因，在加工過程中易發生變形，嚴重影響其加工精度，導致了鈦合金零件疲勞壽命的降低[4-5]。針對航空鈦合金零件的抗疲勞制造需求，提出了采用旋轉超聲銑削方法，實現抗疲勞制造，為縮短鈦合金零件的制造周期，實現其高精?高效?高質量加工提供理論依據和技術支撐。本文開展鈦合金的基礎銑削實驗，并以基礎實驗數據為依據開展旋轉超聲銑削TC18鈦合金疲勞性能實驗研究。

1、傳統加工參數對鈦合金表面粗糙度的影響

1.1實驗設計

為探究傳統加工參數對鈦合金表面粗糙度的影響以及明確后續鈦合金疲勞實驗標準件的加工參數，開展鈦合金銑削正交實驗。鈦合金銑削實驗在MCVL850數控加工中心上進行，如圖1所示。實驗所采用的超聲設備為陜西智遠貿易有限公司生產的SY-2000高速旋轉超聲波加工系統，如圖1(a)所示。加工過程中，通過調節超聲電源來控制刀具振幅，如圖1(b)所示。振幅可選范圍為0~4μm，固定頻率為20kHz。

實驗所用材料為TC18鈦合金，采用電火花線切割技術將鈦板加工成12mm×12mm×5mm的方塊試件，數字模型及實際樣件如圖1(c)所示，銑削刀具為AL-4E-D8.0硬質合金立銑刀。正交實驗主軸轉速選擇范圍為2000r/min~5000r/min，進給速度為60mm/min~90mm/min，切削深度為0.2mm~0.5mm。具體銑削實驗參數如表1所示。

為了明確不同加工工藝參數對鈦合金表面粗糙度的影響規律，選取線輪廓粗糙度Ra作為粗糙度評價指標，每組試件的表面隨機測量50次，取50次測量結果的平均值作為該加工工況下表面粗糙度的實驗值。實驗采用KEYENCEVK-XX100形狀測量激光顯微鏡測量拍攝，形狀測量激光顯微鏡如圖2所示。形貌觀測前將試件放入盛有蒸餾水和無水乙醇的燒杯中利用超聲波清洗儀進行清洗，然后用吹風機吹干所有試件備用。

表1表面粗糙度正交實驗加工參數

1.2實驗結果與分析

1.2.1主軸轉速對表面粗糙度的影響

進給速度為80mm/min?切削深度為0.3mm時，主軸轉速由2000r/min變化到5000r/min，得到的主軸轉速對鈦合金表面粗糙度的影響規律如圖3所示。由圖3可以看出：隨著主軸轉速的增加，試件表面粗糙度呈現先減小后增加的趨勢；主軸轉速為2000r/min時，表面粗糙度高達1.94μm；當主軸轉速增加至3000r/min和4000r/min時，表面粗糙度分別下降至1.64μm和1.58μm；然而當主軸轉速增加到5000r/min時，表面粗糙度值提高至1.72μm。

隨著主軸轉速的增加，銑刀側刃與切削工件的接觸頻率增加，金屬切削效率提高，同時切削區溫度變高，使得表面金屬層軟化效應加劇，積屑瘤減少，塑性形變減小，試件表面粗糙度呈減小趨勢。然而，當轉速達到5000r/min時，主軸轉速接近機床的極限轉速，導致機床加工的振動頻率接近加工系統的模態頻率，使得粗糙度重新增加。因此后續鈦合金銑削實驗的主軸轉速確定為4000r/min。

1.2.2進給速度對表面粗糙度的影響

主軸轉速為4000r/min?切削深度為0.3mm時，進給速度由60mm/min變化到90mm/min，得到的進給速度對表面粗糙度的影響規律如圖4所示。由圖4可知：隨著進給速度增加，表面粗糙度隨之增加；當進給速度為60mm/min?70mm/min和80mm/min時，粗糙度分別為1.63μm?1.67μm和1.71μm，粗糙度增加趨勢較為平緩且均勻；當進給速度增加至90mm/min時，表面粗糙度出現較為明顯的增加趨勢，此時粗糙度高達1.84μm。

隨著進給速度的增加，單位時間內的徑向切削深度增大，使得材料去除率和切削力增加，同時試件的殘留面積增大，導致表面粗糙度隨著進給速度的增加而增加。當進給速度增加到90mm/min時，切削過程中刀具對試件的旋轉力矩以及進給方向沖擊力相應增大，使得加工條件發生惡化，導致表面粗糙度增加幅度較大?？紤]到加工效果的穩定性以及實際工程需要，將后續鈦合金銑削實驗的進給速度確定為80mm/min。

1.2.3切削深度對表面粗糙度的影響

主軸轉速為4000r/min?進給速度為80mm/min時，切削深度由0.2mm變化到0.5mm，得到的切削深度對表面粗糙度的影響規律如圖5所示。由圖5可以看出：隨著切削深度增加，試件表面粗糙度呈現先減小后增加的趨勢；切削深度為0.2mm時，表面粗糙度為1.65μm；當切削深度增加至0.3mm時，表面粗糙度略微下降；當切削深度由0.3mm增加至0.4mm?0.5mm時，表面粗糙度分別為1.63μm?1.73μm和1.77μm，表面粗糙度呈現增加趨勢。

當切削深度為0.2mm時，過小的切削深度使刀具在已加工表面上擠壓?打滑，形成附加的塑性變形，從而導致表面粗糙度較大。切削深度增加到0.3mm后，擠壓情況有所改善，表面粗糙度也隨之降低。切削深度繼續增加后，過大的切削深度會使單位時間內切除的試件材料增加，切削面積增大，導致軸向切削力增加，刀具因軸向力增大使得試件加工表面變形程度增加，粗糙度增加。因此后續鈦合金切削實驗的銑削深度確定為0.3mm。

2、旋轉超聲銑削鈦合金疲勞性能實驗研究

2.1實驗設計

為探究超聲能量的攝入對TC18鈦合金抗疲勞性能的影響規律，開展主軸轉速和超聲電流的單因素對比實驗?？紤]傳統加工參數對鈦合金疲勞壽命的影響，疲勞實驗試件加工過程中，主軸轉速為2000r/min?3000r/min?4000r/min，超聲電流為0?100mA，進給速度80mm/min，切削深度為0.3mm，超聲振動加載頻率為20Hz。每組加工參數分別加工4塊試件，其中1塊進行靜拉伸實驗，3塊進行疲勞壽命實驗。具體銑削實驗參數如表2所示，加工試件和數字模型如圖6所示，試件尺寸為80mm×12mm×5mm。

表2鈦合金的加工參數和疲勞實驗參數

2.2實驗結果與分析

為確定鈦合金疲勞壽命實驗的具體設置參數，對TC18鈦合金疲勞試件進行常溫靜力拉伸實驗，以獲得具體抗拉強度(St)。拉伸疲勞實驗在walter+bai公司研制的LFV動態疲勞實驗機上完成，如圖7所示。在拉伸疲勞實驗機控制系統中使用簡單模式，選擇位移控制的方式，以0.02mm/s的加載速度進行實驗。靜力拉伸實驗測得的試件抗拉強度St為1103MPa，TC18鈦合金的應力-位移曲線如圖8所示。

為明確超聲振動的沖擊特性對航空鈦合金抗疲勞性能的影響規律，對采用不同加工參數加工的試樣在如圖7所示的拉伸疲勞實驗機上分別進行拉伸疲勞實驗?？紤]到鈦合金在飛機中的服役工況，拉伸疲勞實驗采用應力控制形式，應力比R=0.1，加載波形為正弦波，峰值應力為0.65St(717MPa)。對于TC18鈦合金，主軸轉速對其疲勞壽命的影響規律如圖9所示。

由圖9可知：隨著主軸轉速的增加，普通銑削和超聲銑削后的鈦合金疲勞壽命均呈現遞增趨勢，但是在超聲能量攝入的條件下，TC18鈦合金的疲勞壽命呈現顯著的疲勞強化效應；相較傳統銑削，主軸轉速為2000r/min時，超聲銑削可提高TC18鈦合金疲勞壽命11.1%；主軸轉速為3000r/min時，超聲能量場的攝入可提高TC18鈦合金疲勞壽命19.8%；當主軸轉速達到4000r/min時，高頻低幅的沖擊振動可提高TC18鈦合金疲勞壽命28.5%；對于傳統銑削，主軸轉速由2000r/min提高到4000r/min時，TC18鈦合金疲勞壽命提高了18.5%；對于超聲銑削，主軸轉速由2000r/min提高到4000r/min時，TC18鈦合金疲勞壽命提高了37.0%。

產生上述現象的原因主要有以下兩個方面：

(1)隨著主軸轉速的增加，切削溫度升高，刀具磨損加劇，軸向切削力增加，刀具對加工表面的機械載荷作用逐漸增大，鈦合金表面的機械強化作用增強，晶粒發生細化，形成較大的殘余壓應力層，減少了鈦合金表面的裂紋萌生源，從而提高了鈦合金疲勞壽命；此外，隨著主軸轉速的增加，鈦合金中的鈦元素與空氣中的氧元素和氮元素發生的反應更加強烈，形成氮化鈦和氧化鈦薄膜，加工表面發生脆化現象，使得鈦合金顯微硬度增加，進而降低了疲勞裂紋萌生與擴展的速率，提高了鈦合金疲勞壽命。

(2)由于超聲加工的斷續切削特性，加工過程中刀具與試件表面的溫升較小，切削溫度降低，熱載荷引起的塑性凸出現象減弱，殘余拉應力減少，殘余壓應力增加，延緩了疲勞裂紋的萌生與擴展，進而提高了鈦合金的疲勞性能；此外，由于超聲能量的攝入，刀具對加工表面產生了強烈的機械沖擊效應，加工表面受到的機械強化作用增強，表層區域晶粒細化更加明顯，顯微硬度增加，進而延緩了疲勞裂紋的擴展，使得鈦合金疲勞壽命增加。

3、結論

(1)開展了旋轉超聲銑削鈦合金表面粗糙度研究，以粗糙度為評價指標，明確了銑削鈦合金最優工藝參數為：主軸轉速4000r/min，進給速度80mm/min，切削深度0.3mm。

(2)開展了旋轉超聲加工對TC18鈦合金疲勞壽命的影響研究。與普通銑削相比，高頻低幅的超聲振動最大可提高TC18鈦合金疲勞壽命28.5%。

參考文獻

[1]劉致君。旋轉超聲銑削機理分析及試驗研究[D].青島：青島科技大學，2021:2-5.

[2]朱旭，陳宏堃，陳劍彬，等。旋轉超聲磨削加工技術研究進展[J].電加工與模具，2018(增刊1):9-14.

[3]劉佳佳，姜興剛，張德遠。鈦合金高速旋轉超聲橢圓振動側銑削切屑特征和刀具磨損研究[J].機械工程學報，2019,53(19):22-32.

[4]李鋒，李涌泉，李文科，等。刀具走刀方式對TC11薄壁件銑削表面質量影響規律研究[J].表面技術，2017,46(7):250-254.

[5]張明亮，張德遠，劉佳佳，等。鈦合金薄壁件高速超聲橢圓振動銑削機理和試驗[J].北京航空航天大學學報，2019,45(8):1606-1612.

（注，原文標題：旋轉超聲銑削TC18鈦合金疲勞性能實驗研究）