崔 偉，李 勛，蘇貴鴻，胡超鵬

（1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，景德鎮(zhèn) 333000）

TB6 鈦合金是一種近β型鈦合金，此類合金強(qiáng)度及熱強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，受到了廣泛關(guān)注，已應(yīng)用于制造承力結(jié)構(gòu)零部件領(lǐng)域[1]，尤其是在制造直升機(jī)旋翼系統(tǒng)和起落架等結(jié)構(gòu)時(shí)，使用TB6合金代替同等強(qiáng)度的20CrMnSiA和TC4，能有分別減輕機(jī)構(gòu)零件重量的 40% 和 20%[2-3]。

另一方面，疲勞斷裂破壞對(duì)于承力動(dòng)部件來(lái)說(shuō)是主要的失效形式。疲勞裂紋源絕大多數(shù)情況下發(fā)生在零件表面，因此，金屬材料零件的疲勞壽命首先取決于表面完整性[4-5]。與結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高溫合金相比，鈦合金對(duì)表面損傷和表面缺陷更加敏感，更容易誘發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生，造成疲勞破壞[6-7]。

拋光是改善零件表面完整性的加工方式， TB6鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，化學(xué)活性高[8]，它的表面磨削拋光存在困難，目前大多數(shù)依賴于手工作業(yè)[9]，拋光時(shí)無(wú)法施加冷卻液，容易出現(xiàn)過(guò)熱，產(chǎn)生燒傷熔滴（如圖1所示）[10]。TB6鈦合金對(duì)熔滴燒傷十分敏感，容易誘發(fā)裂紋萌生[11]。同時(shí)，手工拋光使關(guān)重零件表面質(zhì)量的一致性差，不利于零件整體疲勞壽命的提高。

圖1 手工拋光形成表面熔滴現(xiàn)象及疲勞破壞源Fig.1 Surface droplet and fatigue failure source by manual polishing

因此，研究數(shù)控拋光工藝以及其對(duì)TB6鈦合金表面完整性的影響對(duì)提高TB6鈦合金零件的疲勞壽命意義重大。針對(duì)TB6鈦合金的拋光加工問(wèn)題，本文進(jìn)行了羊毛氈輪數(shù)控拋光工藝研究。拋光時(shí)使用的是流體磨料，磨料在流動(dòng)的同時(shí)能夠帶走一部分熱量，降低了拋光溫度，可以有效避免燒傷熔滴的產(chǎn)生。同時(shí)，羊毛氈輪是用天然羊毛壓制而成，不會(huì)和試件表面產(chǎn)生親和作用，有利于提高拋光的表面質(zhì)量。

1 TB6表面完整性試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的材料為T(mén)B6合金，基本成分如表1所示。

表1 TB6鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

模擬真實(shí)零件的前期加工條件，試驗(yàn)中使用的TB6鈦合金試件需要經(jīng)過(guò)銑削處理，銑削刀具使用盤(pán)銑刀，直徑為50mm，刃數(shù)為4，刀片型號(hào)為三棱RPMT1606MOE-JS VP15TF。銑削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=200r/min，進(jìn)給速度vf=100mm/min，銑削深度ap= 0.5mm。銑削后試件表面粗糙度為Ra=1.2μm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

拋光試驗(yàn)在三軸高速機(jī)床上進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 三軸數(shù)控高速機(jī)床Fig.2 Three axis CNC high speed machine tool

拋光工具使用的羊毛氈輪，如圖3所示。羊毛氈輪安裝柄直徑為?=6mm，拋光部分直徑為?=25mm，厚度為5mm。

羊毛氈輪采用天然羊毛纖維壓制而成，廣泛用于磨具及其他金屬材料的拋光加工。在拋光時(shí)，細(xì)小柔軟的羊毛纖維不會(huì)損傷加工表面。因此，能夠得到較好的表面質(zhì)量。試驗(yàn)中拋光磨料使用粒度號(hào)為W10的油性金剛石研磨膏。

圖3 羊毛氈拋光輪Fig.3 Wool wheel

為了研究拋光參數(shù)對(duì)TB6鈦合金表面完整性的影響，采用如圖4所示的拋光軌跡和不同的拋光參數(shù)對(duì)試件進(jìn)行拋光加工。

圖4 拋光軌跡Fig.4 Track of polishing process

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 預(yù)壓量對(duì)羊毛氈輪磨損量和拋光表面質(zhì)量的影響試驗(yàn)

羊毛氈輪采用天然羊毛壓制而成，如果在拋光時(shí)羊毛氈輪磨損量較大，會(huì)嚴(yán)重影響拋光后的表面質(zhì)量和拋光效率。所以，首先進(jìn)行羊毛氈輪拋光磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如下。

在其他參數(shù)給定的情況下，預(yù)壓量分別選取ap=2mm、1mm、0.5mm、0.25mm進(jìn)行試驗(yàn)，分別觀察羊毛氈輪磨損量和表面銑刀紋路去除情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖5 和圖6所示。

從圖5、圖6中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)預(yù)壓量ap=0.25mm時(shí)，拋光后的試件表面仍然存在銑削紋路；當(dāng)預(yù)壓量ap=0.5mm、1mm、2mm時(shí)，試件表面的銑削紋路已經(jīng)完全去掉，并且隨著預(yù)壓量的增大拋光后的試件表面粗糙度降低。但是隨著預(yù)壓量的增大，羊毛氈輪的磨損量也不斷增大，當(dāng)預(yù)壓量ap=0.25mm、0.5mm時(shí)，羊毛氈輪的磨損量非常?。é＜0.1mm）；當(dāng)預(yù)壓量ap=1mm時(shí)，羊毛氈輪單邊磨損量Δr大約為0.25mm，當(dāng)預(yù)壓量ap=12mm時(shí)，羊毛氈輪單邊磨損量Δr大約為0.75mm。

圖5 ap對(duì)Ra和羊毛氈輪磨損情況的影響Fig.5 Influence of ap on the Ra and the wear of wool wheel

圖6 不同參數(shù)下試件的表面形貌Fig.6 Surface morphology of specimens under different parameters

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，拋光過(guò)程中當(dāng)預(yù)壓量較大時(shí)，羊毛氈輪會(huì)迅速磨損，影響羊毛氈輪使用壽命，并且拋光時(shí)實(shí)際的預(yù)壓量會(huì)因羊毛氈輪的磨損發(fā)生較大的變化，使拋光不均勻，影響拋光后表面質(zhì)量的一致性。當(dāng)預(yù)壓量較小時(shí)，拋光的去除量不足以去掉銑削紋路，達(dá)不到拋光效果。通過(guò)以上分析，當(dāng)預(yù)壓量ap=0.5mm時(shí)拋光效果最好，此時(shí)既能有效去除試件表面的銑削紋路，獲得較小的表面粗糙度，又能使羊毛氈輪的磨損滿足工程應(yīng)用要求。

2.2 拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

使用Taylor Hobson輪廓儀對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，拋光完成后，在試件表面沿進(jìn)給方向均勻取5個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)量垂直于進(jìn)給方向和平行于進(jìn)給方向的粗糙度，然后各取其平均值，選取兩個(gè)方向上較大的粗糙度作為拋光表面的粗糙度。如圖7所示。

從圖7中數(shù)據(jù)可知，羊毛氈輪拋光參數(shù)對(duì)試件表面粗糙度的影響呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

（1）拋光后試件的表面粗糙度均小于Ra0.6μm，最小能達(dá)到0.16μm，相比拋光前，試件的表面粗糙度得到了明顯的改善。

圖7 拋光參數(shù)對(duì)試件表面粗糙度的影響Fig.7 Influence of polishing parameters on Ra

（2）表面粗糙度隨著拋光參數(shù)的變化呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，都是先降低后增大。拋光時(shí)，當(dāng)線速度vs＞26.16m/s，進(jìn)給速度vf＜100mm/min，加工行寬w＜0.25mm時(shí)，拋光去除能太強(qiáng)，在試件表面形成新的拋光紋路，如圖8（a）～（c）和圖9（a）～（c）所示，使粗糙度較大；拋光時(shí)，當(dāng)線速度vs＜13.08m/s，進(jìn)給速度vf＞500mm/min，加工行寬w＞0.75mm 時(shí)，試件表面的銑削紋路不能完全去除，如圖8（d）～（f）和圖9（d）～（f）所示，導(dǎo)致粗糙度較大。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，羊毛氈輪拋光能夠明顯改善拋光后的試件表面粗糙度，當(dāng)拋光參數(shù)選取線速度vs=19.63m/s，進(jìn)給速度vf=300mm/min，預(yù)壓量ap=0.5mm，加工行寬w=0.5mm時(shí)羊毛氈輪拋光能夠有效地去除銑削刀紋，拋光后試件表面粗糙度達(dá)到最小Ra=0.16μm。在線速度vs、進(jìn)給速度vf、預(yù)壓量ap和加工行寬w4個(gè)參數(shù)中，影響拋光效率的參數(shù)是進(jìn)給速度vf和加工行寬w，并且進(jìn)給速度vf對(duì)表面粗糙度的影響大于加工行寬w。所以，在保證拋光后表面粗糙度的前提下，如果需要提高拋光效率，應(yīng)優(yōu)先選擇提高拋光進(jìn)給速度vf，其次選擇增加加工行寬w。

圖8 拋光后試件表面拋光形貌Fig.8 Surface topography after polishing

2.3 拋光參數(shù)對(duì)表面硬度的影響

利用HV-1000維氏顯微硬度儀測(cè)量拋光表面的顯微硬度。隨機(jī)測(cè)量拋光表面5個(gè)點(diǎn)的硬度，取平均值與銑削后的試件表面硬度進(jìn)行比較，得到拋光參數(shù)對(duì)試件表面硬度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果影響如圖10 所示。

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，拋光后試件的表面硬度均小于拋光前的表面硬度，但是，其差值最大不超過(guò)1.5HRC。由此可見(jiàn)，使用羊毛氈輪拋光TB6 鈦合金時(shí)，能夠部分去除銑削加工表面的硬化層，同時(shí)，拋光參數(shù)對(duì)試件的表面硬化率影響不明顯，拋光后試件的表面硬度比較穩(wěn)定，有利于保證拋光加工表面質(zhì)量的一致性。

2.4 拋光參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

采用加拿大Proto公司的iXRD X射線衍射應(yīng)力儀測(cè)試試件拋光后的表面殘余應(yīng)力，每個(gè)試件測(cè)試點(diǎn)位置如圖11所示。測(cè)試點(diǎn)分布在試件拋光表面的幾何中心，每個(gè)點(diǎn)分別檢測(cè)進(jìn)給方向（X方向）和行寬方向（Y方向）的殘余應(yīng)力。預(yù)壓量ap、羊毛氈輪線速度vs、進(jìn)給速度vf和行寬w對(duì)拋光表面X、Y方向的殘余應(yīng)力影響分別如圖12（a）～（d）所示。試件銑削后X方向殘余應(yīng)力為-87.8MPa，Y方向的殘余應(yīng)力為-146.5MPa，在圖12中用虛線表示。

圖9 拋光后面波紋曲線Fig.9 Waviness curve after polishing

圖10 拋光參數(shù)對(duì)試件表面硬度的影響Fig.10 Influence of polishing parameters on surface hardness

圖11 試件表面殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)和方向示意圖Fig.11 Test point and direction of the specimen surface residual stress

通過(guò)圖中的數(shù)據(jù)可以得到羊毛氈輪拋光參數(shù)對(duì)試件表面殘余應(yīng)力的影響有以下特點(diǎn)。

（1）多數(shù)試件X、Y方向的殘余應(yīng)力皆表現(xiàn)為壓應(yīng)力，只有在拋光參數(shù)線速度vs=19.63m/s、進(jìn)給速度vf=300mm/min、預(yù)壓量ap=2mm、行寬w=0.25mm時(shí)，殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力。

圖12 拋光參數(shù)對(duì)試件表面殘余應(yīng)力的影響Fig.12 Influence of polishing parameters on surface residual stress

（2）隨著預(yù)壓量ap的增大，試件殘余應(yīng)力逐漸向殘余拉應(yīng)力的方向轉(zhuǎn)變。但是隨著進(jìn)給速度vf和加工行寬w的增大，殘余應(yīng)力逐漸向殘余壓應(yīng)力的方向轉(zhuǎn)變。而線速度vs對(duì)殘余應(yīng)力的影響不穩(wěn)定，但隨著線速度vs的增大，試件的殘余應(yīng)力有向殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)拋光時(shí)的去除量較大時(shí)，能夠去除銑削時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；當(dāng)拋光時(shí)的去除量較小時(shí)，能加強(qiáng)銑削時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。所以，拋光參數(shù)的選擇要在能夠去除銑削紋路的前提下盡量減小拋光時(shí)的去除量。

3 結(jié)論

以上拋光試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論。

（1）使用羊毛氈輪能夠?qū)崿F(xiàn)TB6鈦合金的數(shù)控拋光。通過(guò)磨損試驗(yàn)驗(yàn)證，羊毛氈輪在拋光時(shí)選擇合適的拋光參數(shù)，能夠保證磨損量非常小，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間拋光加工，滿足工程應(yīng)用的需要。

（2）羊毛氈輪拋光能夠使試件的表面粗糙由Ra1.2μm左右降到Ra0.2μm以下，明顯改善試件的表面粗糙度。同時(shí)，拋光能夠適當(dāng)去除前期加工形成的表面硬化層，而且拋光參數(shù)對(duì)試件的表面硬化率影響不明顯，拋光后試件的表面硬度比較穩(wěn)定，有利于保證拋光加工表面質(zhì)量的一致性。另外，羊毛氈輪拋光能夠使得試件表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。與拋光前的零件表面完整性指標(biāo)相比，這都有利于提高試件的疲勞強(qiáng)度。

（3）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，優(yōu)選出了一組拋光參數(shù)，線速度vs=19.63m/s，進(jìn)給速度vf=300mm/min，預(yù)壓量ap=0.5mm，加工行寬w=0.5mm，在此拋光參數(shù)下羊毛氈輪拋光能夠有效去除銑削刀紋，拋光后試件表面粗糙度可達(dá)到0.15μm，試件沿進(jìn)給方向殘余應(yīng)力為-121.3MPa，垂直于進(jìn)給方向殘余應(yīng)力為-261.MPa，均為殘余壓應(yīng)力，其絕對(duì)值大于拋光前的表面殘余應(yīng)力，有利于提高零件的疲勞強(qiáng)度。

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