多孔鈦合金切削加工參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

紀(jì)飛飛

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215411）

0 引 言

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度低和耐熱性好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。多孔化處理后的鈦合金材料力學(xué)性能進(jìn)一步提高，同時(shí)還具備良好的金屬活潑性、吸收性、生物相容性和界面力相容性等特性，被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ纳镝t(yī)用植入體材料[1-3]。通過(guò)改變孔隙的尺寸、形狀、分布、空間方向、連通性等參數(shù)可以制備出滿足不同需求的多孔鈦合金，使得鈦合金的使用范圍具有定制化、多樣化等特點(diǎn)。

目前多孔鈦合金坯件個(gè)性化加工主要有快速成型技術(shù)和切削加工技術(shù)。其中快速成型包括激光成型、粉末冶金、纖維燒結(jié)、金屬沉積、電子束融化、凝膠注模等方式，但是快速成型技術(shù)加工精度和加工表面質(zhì)量較低，而切削加工技術(shù)在外形尺寸和表面粗糙度加工方面有明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。然而，由于孔隙結(jié)構(gòu)的存在使得多孔鈦合金耐磨性差、彈性模量低、導(dǎo)熱率低且高溫易氧化，降低了多孔鈦合金的加工工藝性[5-8]。與致密鈦合金材料相比，多孔鈦合金切削加工困難，加工精度及加工表面質(zhì)量難以保證。

多孔材料各向異性及結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性容易引起切削加工過(guò)程中刀具與孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生微振動(dòng)，對(duì)切削過(guò)程中的力學(xué)表現(xiàn)產(chǎn)生了本質(zhì)影響[6,9-11]。加工穩(wěn)定性是保證加工尺寸精度和加工表面質(zhì)量的重要因素。要想獲得高尺寸精度和表面加工質(zhì)量的多孔鈦合金零件，有必要對(duì)不同切削參數(shù)及粒徑下的切削力進(jìn)行分析，從而獲得多孔鈦合金切削加工振動(dòng)規(guī)律，為提高多孔類材料加工精度及表面質(zhì)量提供有效指導(dǎo)。本文采用粒徑分別為20 μm、40 μm、60 μm、80 μm、100 μm多孔鈦合金與YG6刀具進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，對(duì)比分析不同切削參數(shù)下切削力及表面粗糙度的變化，最終得出有利于提高多孔鈦合金切削加工穩(wěn)定性及加工效率的參數(shù)設(shè)置。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方案設(shè)計(jì)

為了研究不同孔隙度、切削速度及背吃刀量參數(shù)對(duì)多孔鈦合金切削加工穩(wěn)定性的影響，采用基于SANYING公司的SVMC-2002A型號(hào)立式加工中心（如圖1（a））及φ15×40×φ16×100×4T的YG6硬質(zhì)合金刀具分別對(duì)粒徑為20 μm、40 μm、60 μm、80 μm、100 μm多孔鈦合金進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)。采用FC3D120三軸力傳感器（如圖1（c））進(jìn)行加工過(guò)程中X、Y、Z三個(gè)方向切削力動(dòng)態(tài)測(cè)試。加工后的表面粗糙度采用便攜式三豐SJ-210表面粗糙度測(cè)量?jī)x（如圖1（b））測(cè)量。

圖1 多孔鈦合金銑削穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)用TC4多孔鈦合金材料主要采用真空粉末燒結(jié)工藝制備，其中TC4粉末成分如表1所示。將制備好的試樣通過(guò)線切割加工成尺寸為20 mm×20 mm×3 mm的方塊，不同粒徑多孔鈦合金試樣如圖2所示。為確保切削加工時(shí)切削用量均勻，試樣上下兩面加工平行度誤差≤0.05 μm。試樣孔隙度表征滿足下式：

式中：Ap為多孔鈦合金試樣選取截面空隙的面積；AT為所選取界面的總面積。

圖2 不同粒徑多孔鈦合金試樣

考慮到粉末燒結(jié)制備的試樣產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)特性隨機(jī)性大，在制樣尺寸和工藝相同的情況下，采用不同TC4粉末粒徑表示不同尺度多孔鈦合金的孔隙度變化，則可以得出粉末粒徑越大，孔隙度越小，如表1所示。

表1 TC4粉末的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

采用控制變量法分別進(jìn)行不同粒徑、切削速度、背吃刀量3個(gè)因素對(duì)切削加工穩(wěn)定性影響試驗(yàn)?？紤]到多孔材料粉末顆粒切削過(guò)程中可能掉落后填充材料的孔隙位置從而緩解振動(dòng)的切削特性，切削過(guò)程為不添加任何切削液的干切削。通過(guò)X、Y、Z三個(gè)方向的切削力動(dòng)態(tài)測(cè)量反映切削加工過(guò)程中振動(dòng)情況，并通過(guò)已切削表面粗糙度測(cè)量評(píng)價(jià)不同影響因素下的切削表面質(zhì)量。

由于多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，粗糙度測(cè)量波動(dòng)較大，為了確保測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，每組參數(shù)設(shè)置下實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次后取平均值作為最終粗糙度測(cè)量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表2所示。

2 分析與討論

當(dāng)切削速度為1500 r/min、背吃刀量為0.25 mm時(shí)，不同粒徑制備的多孔鈦合金銑削過(guò)程中刀具對(duì)工件的作用力FR如圖3所示。其中作用力FR是測(cè)力儀測(cè)量的X、Y、Z三個(gè)方向分力FX、FY和FZ的合力。

表2 粒徑、切削速度及背吃刀量參數(shù)單因素切削穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)方案

由圖3可知，多孔鈦合金切銑削加工時(shí)，刀具受到劇烈振動(dòng)，這主要是由于刀具與孔隙邊緣產(chǎn)生碰撞、撕裂等作用，不連續(xù)的微孔結(jié)構(gòu)使得實(shí)際切削時(shí)進(jìn)給量及刀具背吃刀量處于動(dòng)態(tài)連續(xù)變化狀態(tài)，從而引起受力不均勻。當(dāng)粒徑為20 μm、40 μm和100 μm時(shí)，刀具切削力振幅較大；粒徑為60 μm和80 μm時(shí)，切削振動(dòng)相對(duì)平緩，且切削力主要集中在0～10 N區(qū)間。由式（1）可知，粒徑較小時(shí)，材料孔隙度較大，且孔隙結(jié)構(gòu)分布不均勻，沿著進(jìn)給方向刀具切削時(shí)碰到空隙部分的頻率較高，同時(shí)刀具撕裂空隙邊緣，使得孔隙尺寸進(jìn)一步增大，從而加劇振動(dòng)[10]。不同粒徑材料切削時(shí)，雖然背吃刀量參數(shù)設(shè)置理論上一致，但實(shí)際切削時(shí)，小顆粒更加容易脫落填充部分空隙，從而使得前刀面小粒徑材料單位面積擠壓的數(shù)量多，實(shí)際切屑量大，刀具與材料摩擦更加充分，導(dǎo)致溫度升高，空氣中的O元素與鈦合金中的N元素容易生成硬度較大的硬化層，導(dǎo)致切削力增大，刀具振動(dòng)劇烈[13-15]。而當(dāng)粒徑達(dá)到100 μm時(shí)，材料孔隙度雖然較小，但大粒徑顆粒切削時(shí)產(chǎn)生的剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，一方面顆粒剝落會(huì)引起刀具受力瞬時(shí)失衡；另一方面，剝離的顆粒濺落在材料表面且不易填充空隙位置，從而進(jìn)一步加劇刀具的振顫。此外，粒徑為20 μm、40 μm和100 μm的材料切削力數(shù)值明顯高于60 μm和80 μm粒徑材料，這主要是因?yàn)檩^小粒徑和較大粒徑材料切削時(shí)前刀面真實(shí)切削量均大于60 μm和80 μm粒徑材料，因此切削力數(shù)值較大。

圖3 不同粒徑銑削加工時(shí)對(duì)切削力的影響

表3所示為不同粒徑多孔鈦合金在切削速度為1500 r/min、背吃刀量為0.25 mm時(shí)表面加工質(zhì)量。由表3可知，粉末燒結(jié)制備多孔鈦合金銑削加工時(shí)，表面粗糙度值隨著粒徑的增大而增大。這與圖3中切削力與粒徑關(guān)系并不完全一致，即多孔材料切削時(shí)切削力并不能完全反映切削表面加工質(zhì)量。根據(jù)孔隙度的表征方式可知，單位面積上粉末顆粒粒徑越大，孔隙所占面積越小，但顆粒間的空隙深度也越深；切削加工時(shí)粉末顆粒容易濺落在已加工表面導(dǎo)致表面出現(xiàn)壓痕和劃傷，甚至部分脫落顆粒被壓后嵌入已加工表面，較大的粒徑容易造成表面不平整度增加；而較小粒徑的顆粒濺落后往往容易落入空隙位置，起到填充作用，從而有利于提高零件表面質(zhì)量。

表3 不同粒徑對(duì)多孔鈦合金切削加工表面粗糙度的影響

由圖3可知，當(dāng)粒徑為80 μm時(shí)，材料切削加工穩(wěn)定性最好。因此選擇粒徑為80 μm的多孔鈦合金，切削速度為1500 r/min，分別分析不同背吃刀量參數(shù)變化對(duì)切削穩(wěn)定性的影響。如圖4所示，當(dāng)背吃刀量為0.25 mm時(shí)，切削力在2.5～10.0 N區(qū)間內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)背吃刀量為0.35 mm時(shí)，切削力在8.0～17.5 N區(qū)間內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)背吃刀量增加至0.45 mm時(shí)，切削力波動(dòng)區(qū)間為7.5～32.5 N。隨著背吃刀量增加，切削力數(shù)值增加，且由于材料結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性導(dǎo)致振幅變大，波動(dòng)劇烈，這與致密材料切削規(guī)律一致。相比于0.25 mm和0.35 mm的背吃刀量，當(dāng)背吃刀量為0.45 mm時(shí)，刀具振動(dòng)最劇烈。這主要是因?yàn)楸吵缘读吭黾樱邢骱穸仍黾?，刀具承受切削力增大，同時(shí)切屑受到擠壓容易導(dǎo)致顆粒脫落，切削力失穩(wěn)變化明顯。

圖4 不同背吃刀量參數(shù)銑削加工時(shí)對(duì)切削力的影響

不同背吃刀量參數(shù)下加工表面粗糙度如表4所示，隨著背吃刀量的增加，表面粗糙度下降。當(dāng)背吃刀量為0.45 mm時(shí)，刀具振動(dòng)明顯，但是表面粗糙度僅有Ra1.705 μm，這表明切削加工過(guò)程中雖然切削穩(wěn)定性對(duì)零件加工質(zhì)量有影響，但背吃刀量對(duì)表面加工質(zhì)量影響更大。這主要是因?yàn)檩^大的背吃刀量使刀具承受的切削力數(shù)值大、波動(dòng)劇烈，導(dǎo)致刀具與材料發(fā)生劇烈摩擦，產(chǎn)生的高溫容易使得濺落在已加工表面的粉末顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)，粘結(jié)在零件表面從而起到填充部分空隙的作用。因此，較大的背吃刀量既能夠保證材料加工質(zhì)量，同時(shí)能夠提高切削加工效率。

圖5為粒徑為80 μm、背吃刀量為0.45 mm時(shí)，不同切削速度對(duì)切削穩(wěn)定性的影響。由圖5可知，切削速度變化時(shí)，切削力振動(dòng)均比較劇烈。這說(shuō)明切削速度變化對(duì)多孔鈦合金銑削加工系統(tǒng)穩(wěn)定性影響效果沒(méi)有材料粒徑、背吃刀量等參數(shù)明顯。對(duì)比不同切削速度下的切削力變化可知，切削速度提高，切削力振動(dòng)反而相對(duì)平緩，且切削力值也相對(duì)穩(wěn)定。因此，從切削加工系統(tǒng)穩(wěn)定性角度考慮，多孔鈦合金加工時(shí)應(yīng)選擇相對(duì)較大的切削速度。

表4 不同背吃刀量對(duì)多孔鈦合金切削加工表面粗糙度的影響

圖5 不同切削速度參數(shù)銑削加工時(shí)對(duì)切削力的影響

表5為不同切削速度下的加工表面粗糙度值。隨著切削速度的增加，粗糙度下降，這與致密材料切削加工特征一致。切削速度從950 r/min提升至1500 r/min時(shí)，加工表面粗糙度下降了76.821%。綜合圖5和表5可知，切削速度參數(shù)雖然對(duì)加工穩(wěn)定性影響效果不明顯，但是提高切削速度可以顯著提高多孔材料切削加工質(zhì)量。

表5 不同切削速度對(duì)多孔鈦合金切削加工表面粗糙度的影響

3 結(jié) 論

通過(guò)不同粒徑、切削速度和背吃刀量參數(shù)設(shè)置分別開(kāi)展多孔鈦合金切削加工穩(wěn)定性研究，并分析對(duì)比不同參數(shù)對(duì)切削力及加工表面質(zhì)量作用效果，最終得出: 1）多孔材料切削加工規(guī)律與傳統(tǒng)致密材料不同，隨著粒徑的增大，表面粗糙度值增大，但較小或較大的粒徑均會(huì)引起刀具的劇烈振動(dòng)，而粒徑為60 μm和80 μm時(shí)，切削加工穩(wěn)定性較好；2）切削力數(shù)值隨著背吃刀量增加而增加，當(dāng)背吃刀量達(dá)到0.45 mm時(shí)，切削力振動(dòng)變化顯著，最大達(dá)到32.5 N，但表面粗糙度值反而降低；3）切削速度增加對(duì)切削加工穩(wěn)定性影響作用不明顯，但較高的切削速度能夠提高材料加工表面質(zhì)量。綜合考慮不同參數(shù)對(duì)切削穩(wěn)定性、加工表面質(zhì)量及加工效率的作用效果，并結(jié)合切削加工過(guò)程激烈的振動(dòng)會(huì)影響刀具的使用壽命、產(chǎn)生高溫并誘導(dǎo)零件過(guò)早地發(fā)生疲勞損傷等因素，粒徑在60～80 μm的多孔鈦合金材料采用較高切削速度，稍大的進(jìn)給量的參數(shù)設(shè)置加工效果最佳。