軸向超聲振動輔助銑削TiB2/7050Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力試驗研究

李俊辰 ，汪文虎 ，蔣睿嵩 ，劉曉芬 ，熊一峰 ，單晨偉

（ 1. 西北工業(yè)大學(xué)，航空發(fā)動機高性能制造工業(yè)和信息化部重點實驗室，航空發(fā)動機先進制造技術(shù)教育部工程研究中心，陜西西安710072；2. 四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065 ）

作為鋁基復(fù)合材料的典型代表， 原位自生型TiB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料 （TiB2/Al 復(fù)合材料）具有質(zhì)量輕、比強度高、比剛度高、抗磨損等優(yōu)點[1]，是未來新一代航空發(fā)動機大尺寸風(fēng)扇葉片的理想材料之一。 TiB2/Al 復(fù)合材料在傳統(tǒng)機械加工過程中，切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、加工表面質(zhì)量不高，是一種典型的難加工材料[2]。 利用超聲振動輔助加工中的高頻振動，可縮短刀-屑-工件的接觸時間，減小刀具與工件的摩擦力，從而有效地降低切削力、切削熱和刀具磨損，提高加工精度與表面質(zhì)量。 國內(nèi)外研究表明，超聲振動輔助切削可用于碳纖維復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷等硬脆性難加工材料的精密加工，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。

殘余應(yīng)力是零部件機械加工中的重要性能指標(biāo)，相關(guān)研究結(jié)果表明：殘余應(yīng)力尤其是殘余壓應(yīng)力，對機加零部件的使用性能、服役壽命具有重要影響。 提高零部件加工表面殘余壓應(yīng)力能有效實現(xiàn)零部件的抗疲勞制造，延長服役壽命[5-6]。

吳德寶[7]開展了6061 航空鋁合金的軸向超聲振動輔助車削試驗，系統(tǒng)研究了進給方向超聲振動下工件表面殘余應(yīng)力隨切削參數(shù)、超聲參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明加載超聲振動可增大加工表面的殘余壓應(yīng)力。 趙云峰[8]開展了超聲振動輔助銑削LY12鋁合金試驗，從熱力耦合角度出發(fā)分析研究了切削加工殘余應(yīng)力產(chǎn)生機理，結(jié)果表明銑削速度與超聲振幅對工件表面殘余應(yīng)力的影響較為明顯，施加超聲振動后工件表面殘余拉應(yīng)力大幅降低。 欒曉明[9]基于有限元仿真模型對超聲振動輔助車削7055-T6鋁合金切削過程進行了深入研究，結(jié)果證明了超聲振動在某種程度上可以增加殘余壓應(yīng)力。 于海鵬[10]對比研究了普通切削、一維振動切削、橢圓振動切削表面殘余應(yīng)力的形成機理，發(fā)現(xiàn)橢圓振動切削時工件表面殘余應(yīng)力主要是由機械應(yīng)力引起，且呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。 張曉輝等[11]建立了TC4 鈦合金二維直角切削力熱耦合仿真模型，并對普通切削、超聲切削殘余應(yīng)力進行了對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲振動輔助切削表面殘余拉應(yīng)力更小，但其亞表層殘余應(yīng)力最大值較普通切削更大。 雷曉軍[12]利用超聲振動銑削對纖維增強型復(fù)合材料進行了切削試驗研究，結(jié)果表明超聲振動的引入使得銑削力大大減小，工件加工表面應(yīng)力場同樣得到了顯著降低。 焦峰等[13]對SiCp/Al 復(fù)合材料開展了普通、 超聲切削對比試驗，研究同樣發(fā)現(xiàn)超聲振動切削的殘余應(yīng)力更大，且超聲切削與普通切削表面殘余應(yīng)力均隨著切削速度的增大而減小。

TiB2/7050Al 復(fù)合材料常用于發(fā)動機風(fēng)扇葉片中，提高材料可加工性、產(chǎn)生加工表面壓應(yīng)力，對于提升發(fā)動機零部件服役壽命具有重要意義。 目前，針對TiB2/7050Al 復(fù)合材料的研究主要集中在材料制備、性能提升及普通加工性能，而超聲振動輔助切削TiB2/7050Al 復(fù)合材料的研究少見報道。

為此，本文開展了TiB2/7050Al 復(fù)合材料軸向超聲振動輔助銑削殘余應(yīng)力試驗研究，采用單因素試驗方法研究切削參數(shù)包括切削速度、 每齒進給量、切削深度和超聲參數(shù)對銑削表面殘余應(yīng)力及亞表層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為后續(xù)該類材料的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 軸向超聲振動輔助銑削試驗

1.1 試驗材料

試驗中所使用工件材料為通過熔鹽法制備的原位自生型TiB2/7050Al 復(fù)合材料，其原位反應(yīng)化學(xué)方程式如下：

材料化學(xué)成分、理化性能與機械性能參數(shù)分別見表 1、表 2。

表1 TiB2/7050Al 復(fù)合材料化學(xué)成分

表2 TiB2/7050Al 復(fù)合材料理化及機械性能參數(shù)

1.2 試驗裝置

圖1 是試驗采用的TiB2/7050Al 復(fù)合材料軸向超聲振動輔助銑削系統(tǒng)，超聲振動輔助銑削試驗在VMC-850 型三軸立式數(shù)控加工中心上進行，超聲設(shè)備選用CKN-XH11-BT40 型超聲刀柄，加工刀具采用4 刃平底硬質(zhì)合金TiAlN 涂層銑刀，刀柄和刀具相關(guān)參數(shù)分別見表3、表4。

1.3 試驗方案設(shè)計

本文通過設(shè)計單因素試驗考察切削速度、每齒進給量、切削深度、超聲頻率對TiB2/7050Al 復(fù)合材料超聲振動輔助銑削殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，共4 組12 次，其中每組有 1 次（2#、5#、8#、10#）為相同條件，振幅固定為4 μm，銑削過程中不添加冷卻液，整體的試驗設(shè)計見表5。

表3 超聲刀柄性能參數(shù)

表4 超聲輔助銑削試驗刀具相關(guān)參數(shù)

圖1 軸向超聲振動輔助銑削系統(tǒng)組成示意圖

試驗過程中采用三向測力平臺對切削力進行測量記錄，加工后使用X 射線衍射儀測量工件切削表面殘余應(yīng)力，包括沿進給方向（Y 方向）與垂直于進給方向（X 方向），如圖 2 所示。 之后測定亞表層的殘余應(yīng)力，使用環(huán)流時控電解腐蝕剝層儀與過飽和食鹽水對樣件進行腐蝕剝層，對當(dāng)前亞表層殘余應(yīng)力進行檢測分析，至當(dāng)前深度亞表層殘余應(yīng)力與基體材料殘余應(yīng)力大小基本一致時為止。 為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在每個工件上選取三個不同位置進行殘余應(yīng)力測量，每個點處測量3 次，取平均值為最終該切削參數(shù)下的殘余應(yīng)力結(jié)果。

表5 殘余應(yīng)力單因素試驗

圖2 殘余應(yīng)力測量示意圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 超聲振動輔助銑削的表面殘余應(yīng)力

圖3 是TiB2/7050Al 復(fù)合材料軸向超聲振動輔助銑削中切削速度、每齒進給量、切削深度、超聲頻率對工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。 結(jié)果表明，本文開展的參數(shù)研究范圍內(nèi)的工件表面殘余應(yīng)力在-300~-100 MPa 之間，均為殘余壓應(yīng)力。

從圖3a、圖3b 看出，隨著切削速度、每齒進給量的增加，工件表面X、Y 兩個方向上的殘余壓應(yīng)力（絕對值）均呈現(xiàn)減小的變化趨勢，且Y 向殘余壓應(yīng)力的減小趨勢相較于X 向逐漸減緩。 從圖3c 看出，當(dāng)切削深度小于0.5 mm 時， 工件表面殘余壓應(yīng)力隨著切削深度的增大而增大； 而當(dāng)切削深度大于0.5 mm 后，工件表面殘余壓應(yīng)力隨著切削深度的增大而減小。從圖3d 看出，超聲頻率的增大使得Y 向工件表面殘余壓應(yīng)力逐漸增大，而X 向殘余應(yīng)力則呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

2.2 超聲振動輔助銑削的切削力

圖3 加工參數(shù)對工件表面殘余應(yīng)力的影響

切削加工中的切削力主要來源于工件材料受前刀面劇烈的擠壓作用，切削力的大小在一定程度上反映了材料受壓后的塑性變形程度。 因此，在以切削力為主導(dǎo)因素的加工過程中，工件切削表面往往呈現(xiàn)明顯的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，且殘余壓應(yīng)力的數(shù)值與切削力的變化規(guī)律呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 是加工參數(shù)對主切削力的影響規(guī)律。 可見， 超聲振動輔助銑削主切削力隨著切削速度、每齒進給量的增加而增大，隨著切削深度、超聲頻率的增加均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢； 與圖3c、圖3d 對比分析可發(fā)現(xiàn)，切削深度、超聲頻率對工件表面殘余壓應(yīng)力及主切削力的影響規(guī)律基本一致。 由此表明，在當(dāng)前加工參數(shù)下，機械應(yīng)力對殘余應(yīng)力的產(chǎn)生占主導(dǎo)地位，切削力所引起的殘余壓應(yīng)力比切削溫度所引起的殘余拉應(yīng)力效應(yīng)更明顯。

圖4 加工參數(shù)對切削力的影響

同時在加工過程中，刀具前刀面與切屑、后刀面與已加工表面間的劇烈摩擦作用，會產(chǎn)生并釋放大量熱量，工件表層材料受到切削熱作用后，其溫度將遠高于工件內(nèi)部材料溫度，進而出現(xiàn)明顯的熱效應(yīng)，使表層材料體積發(fā)生膨脹。 在加工完成后，隨著溫度的下降，工件表層材料收縮過程中受到內(nèi)部材料的阻礙， 最終在工件表面形成殘余拉應(yīng)力，這也很好地解釋了為何在切削速度與每齒進給量的單因素實驗中，殘余應(yīng)力的變化規(guī)律與切削力的變化規(guī)律相反。 盡管隨著切削速度與每齒進給量的增加，切削力均呈現(xiàn)增大趨勢，但單位時間內(nèi)材料去除體積的增加使得切削表面溫度進一步升高，由高溫引起的熱應(yīng)力在殘余應(yīng)力形成過程中占據(jù)了主導(dǎo)地位； 雖然切削表面整體仍呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，但材料產(chǎn)生拉應(yīng)力的趨勢要強于壓應(yīng)力，在力熱耦合作用下，工件表面殘余壓應(yīng)力顯著減小，并且有明顯向殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢。

為了在超聲振動輔助銑削過程中在切削表面形成盡可能高的殘余壓應(yīng)力，加工時選用較低的切削速度與每齒進給量， 同時選取切削深度0.5 mm、超聲頻率23 kHz。

2.3 超聲振動輔助銑削的亞表層殘余應(yīng)力

圖5 是不同切削參數(shù)下工件亞表層殘余應(yīng)力變化規(guī)律，檢測樣件為 3#、5#、9#、12#，四組試驗相互對比分析時僅有一個加工參數(shù)發(fā)生改變。

對比分析圖5a、 圖5b 發(fā)現(xiàn)， 低切削速度下5#工件殘余壓應(yīng)力相較高切削速度下的3#工件更大，同時高速切削殘余應(yīng)力的影響層深度在90 μm 左右，低速切削下影響層深度增大至120 μm，表明低速切削的亞表層殘余應(yīng)力的影響層更深。 這是由于盡管試驗3 主切削力相較試驗5 更大，但材料的塑性變形更為劇烈，釋放出更多的熱量，導(dǎo)致在殘余壓應(yīng)力的形成過程中，機械應(yīng)力作用被熱應(yīng)力作用大幅抵消，最終加工表面呈現(xiàn)出殘余壓應(yīng)力數(shù)值降低、殘余應(yīng)力影響層深度變淺的情況。

對比分析圖5b、圖5d 發(fā)現(xiàn)，試驗 5 較試驗 12超聲頻率更低、主切削力更小，這反映在工件亞表層殘余應(yīng)力上的變化為兩者最大殘余應(yīng)力較接近，但5#工件亞表層殘余應(yīng)力的影響層深度（100 μm）較12#工件深度（120 μm）更淺。 這主要是由于切削力減小后， 機械應(yīng)力對材料內(nèi)部的影響程度也降低，距切削表面較遠的基體材料應(yīng)力狀態(tài)尚未受到明顯影響。

由圖3 知曉，表面殘余壓應(yīng)力隨切削速度的降低而增大，隨切削深度從0.5 mm 增至0.8 mm 呈現(xiàn)減小趨勢。 對比分析同一切削參數(shù)下的圖5a、圖5c發(fā)現(xiàn)，9#工件較3#工件的切削速度更低、 切削深度更大，反映為殘余應(yīng)力影響層深度更深，殘余壓應(yīng)力數(shù)值更大，這表明在當(dāng)前切削參數(shù)下，切削速度對亞表層殘余應(yīng)力的影響程度較切削深度更大。

圖5 工件亞表層殘余應(yīng)力的變化規(guī)律

3 結(jié)論

本文主要針對TiB2/7050Al 復(fù)合材料軸向超聲振動輔助銑削表面殘余應(yīng)力及亞表層殘余應(yīng)力開展了相關(guān)試驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）TiB2/7050Al 復(fù)合材料軸向超聲振動輔助銑削表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且殘余壓應(yīng)力大小隨切削速度、 每齒進給量的增加有明顯減小的趨勢，而隨著切削深度和超聲頻率的增加，表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。

（2）切削速度、切削深度的變化對工件表面殘余應(yīng)力影響程度較大，而每齒進給量的影響則相對較弱。為了實現(xiàn)TiB2/7050Al 復(fù)合材料殘余壓應(yīng)力制造，建議選取較低的切削速度與每齒進給量。

（3）在參數(shù)范圍內(nèi)，TiB2/7050Al 復(fù)合材料工件亞表層殘余應(yīng)力均呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，亞表層殘余應(yīng)力影響層厚度為90~120 μm，且未觀測到明顯的加工硬化現(xiàn)象。