刀具磨损后TA15钛合金加工表面残余应力测量.pdf

收稿日期：年 月刀具磨损后 钛合金加工表面残余应力测量柯清禅，尤洁，叶正茂航天材料及工艺研究所摘要：采用 涂层（）硬质合金刀具对 钛合金（）进行切削实验，在观测刀具的磨损形貌的同时采用激光小孔残余应力测试仪开展刀具磨损后加工表面残余应力研究。研究结果表明，钛合金切削过程中刀具的主要磨损形式为后刀面磨损；刀具磨损显著影响已加工表面残余应力分布，刀具磨损量 与加工引入的轴向残余应力最大值和平均值呈正相关；刀具处于稳定磨损阶段时，磨损速率较低，径向残余应力最大值和平均值较小，径向残余应力波动最小。实验现象及结论充实了该领域的切削机理研究。关键词：钛合金；刀具磨损；表面残余应力中图分类号：；文献标志码：，：（）（），：；?引言钛合金具有比强度高、耐高温、耐腐蚀、可焊性、耐蚀性和生物相容性等突出特性，凭借良好的综合机械性能，被广泛应用于航空、航天、船舶、化工常规兵器等领域 ，。其中，钛合金（）因具有较高的比强度?抗蠕变性、耐腐蚀性以及良好的焊接性能，被广泛应用于航空领域受力复杂的重要结构零件，如制造飞机隔框、壁板等 。作为典型的难加工材料，钛合金加工过程中存在严重的刀具磨损及加工表面质量波动的问题。硬质合金刀具作为钛合金加工首选的刀具种类，加工过程中的主要磨损形式为后刀面磨损和月牙洼磨损 ，。切削加工过程中，刀具与工件表面材料存在复杂的分离、挤压和摩擦作用，导致已加工表面产生显著的塑性变形和热变形，进而形成加工残余应力 。刀具磨损改变了刀具相关的几何形貌，使得切削过程中力、热发生了显著变化，影响加工硬化层状态，使加工工件出现不同的表面残余应力分布规律，该现象是比较复杂的非线性问题。在航天、军工制造业中，表面残余应力直接影响零件的使用性能和寿命 ，。针对上述问题，本文基于刀具磨损试验延伸开展了加工件表面残余应力实验，旨在揭示刀具磨损对表面残余应力的影响规律。?切削试验材料及参数在 高精度液压数控车床上进行切削加工实验，采用肯纳的 涂层硬质合金刀 片（）及 配 套 刀 杆（），工作前角为 ，工作后角为 ，刃倾角为 ；工件材料为近 相 钛合金棒料，尺寸为 ，切削冷却条件为干切削，切削实验现场如图 所示，钛合金的化学成分和物理力学性能分别如表 和表 所示 ，切削参数如表 所示。年第 卷 结合刀具磨损形式及机理，切削过程的刀具磨损形式主要为后刀面磨损，后刀面的磨损情况用 的数值来评价。随着切削时间的累加和切削速度的增大，后刀面磨损值及涂层剥落区域均呈现增大趋势。选取 （对应初期磨损）、（对应稳定磨损）和 （对应剧烈磨损）三把刀具，采用固定的参数（，和 ）开展二次切削加工，同时设定对照组（原始工件表面）开展刀具磨损后表面残余应力研究。图 直角切削现场表 钛合金的主要化学成分（）表 钛合金的物理力学性能屈服强度（）密度（）热导率（）弹性模量（）抗拉强度（）硬度（）表 刀具磨损实验参数切削速度（）切削深度（）进给量（）切削时间（）车削方式 ，干车、直角?表面残余应力测量方式表面残余应力的测量设备为 激光小孔残余应力测试仪（见图 ）。为了减小实验测量误差，针对圆型棒料设计了测试夹具。为了避免单个数据点测量的偶然性和随机性，通过控制试样数，实验沿圆周方向均匀选择 个点进行测量，测量完成后对个点测量结果数据取平均值。为了确定测量过程中合理层深点，实验前进行 钛合金的残余应力实验，采用硬质合金钻头，钻头直径为 ，钻头转速为 ，进给速度为 ，进给量为 。实验过程中层深测量点设定为 ，和 。结合实验结果，最终测量点设定方案修正为 ，和 。激光头 空气吹屑嘴 高速气动钻 气压箱 摄像头 转速控制器 弯曲装置 软件 盘 工具箱 电脑 工具 数据线 激光发生仪 光学平台激光图 残余应力测试仪?表面残余应力测量结果测量报告中，方向对应径向残余应力，方向对应轴向残余应力。实验过程中，像素误差在 以下被认定为数据测量正常，在排除特定干扰点后，测量结果如图 图 所示。图 为材料原始状态下的残余应力分布结果。该批原始棒料内部存在一定数值的残余应力：表层为成型过程中引入的拉应力，数值在 左右；深度超过 后，随着深度增加应力幅值逐渐趋近于某一较小值，并保持稳定或波动，此时，径向残余应力为 左右，轴向残余应力为 左右。图 残余应力测量结果（对照组）如图 所示，刀具磨损后可以观测到材料原始的残余拉应力已消失，被单一残余压应力取代，在 的表面深度区间中可以观测到较大数值的压应力，径向和轴向残余应力皆在深度为 附近出现最大值。结合图 和图 的变化趋势来看，后刀面磨损显著影响轴向残余应力的分布。有别于新的切削工 具 技 术刃，尽管刀具磨损后在工件表面引入的轴向残余应力和径向残余应力大体保持近似的变化趋势，但二者数值开始出现较大差异，轴向残余压应力最大值约为 ，径向残余应力最大值约为 。图 残余应力测量结果（实验组 ，）图 残余应力测量结果（实验组 ，）如图 所示，刀具剧烈磨损后残余应力依然为负值，引入的轴向残余压应力数值同样始终大于径向残余压应力。在 区间，二者呈单调增大的同时在数值上并无太大差异，径向残余应力在 处出现最大值 ，轴向残余应力则在 处达到最大值 ；在出现极值点后，二者均表现出较大的数值差递减至稳定值。图 残余应力测量结果（实验组 ，）?表面残余应力结果分析刀具磨损程度的差异造成轴向和径向残余应力的分布差异，同时刀具磨损程度加剧影响着残余应力数值及分布层深，其中，残余应力数值分别用最大值和前 的平均值来衡量，其数值如表 所示。表 残余应力深度与数值径向最大层深（）轴向最大层深（）径向最大值（）径向平均值（）轴向最大值（）轴向平均值（）三个实验组前 层深范围内测得的残余应力均为压应力。其中轴向残余应力的平均值和最大值随着后刀面磨损量 的增大而增大，而径向残余应力的平均值和最大值则呈现先减小后增大的变化规律。在刀具处于正常切削阶段（初期磨损及稳定磨损阶段），轴向残余应力和径向残余应力的最大值均在同一深度附近出现，而在刀具后刀面出现严重崩刃现象后，轴向残余应力的最大值则在更大的深度测得。如图 和图 所示，刀具处于稳定磨损阶段时，刀具磨损速率小，测得的径向残余应力波动较小，在深度大于 后基本趋于稳定。刀具处于初期磨损、剧烈磨损阶段时，在深度 处径向残余应力出现最大值。图 不同刀具磨损状态的径向残余应力变化规律图 不同刀具磨损状态的轴向残余应力变化规律 钛合金切削过程以后刀面磨损为主，而径 年第 卷 向残余应力与轴向残余应力变化规律的差异表明，后刀面磨损对轴向残余应力有较为显著的影响。随着后刀面磨损值单调增大，刀具经历了原始锋利刀刃后刀面磨平后的锋利刀刃失去正常切削刃的过程，刀具对工具表面的轴向挤压和摩擦作用越发明显。切削过程中热量无法在短时间内传递出去，而是富集在在工件最外表层并向下传导，作用在工作表面则表现为轴向残余应力最大值和平均值单调增大。?结语结合刀具磨损试验及刀具磨损后的表面残余应力实验，主要有以下结论。（）钛合金切削过程中刀具主要磨损形式为后刀面磨损，刀具磨损显著影响已加工表面残余应力分布。（）刀具磨损值对轴向残余应力有着较为显著的影响，且刀具磨损量 与加工引入的轴向残余应力最大值和平均值正相关。（）刀具处于稳定磨损阶段时，磨损速率较低，径向残余应力最大值和平均值较小，同时测得的径向残余应力波动最小。参考文献 陈五一，袁跃峰 钛合金切削加工技术研究进展 航空制造技术，（）：，（）：柯清禅，孙剑飞，王天明 硬质合金涂层刀具车削钛合金 的磨损研究及切削参数优选 工具技术，（）：覃孟扬，李冬梅，罗永顺，等 基于刀具磨损的车削加工残余应力实验研究 机床与液压，（）：，：，（）：，（）：第一作者：柯清禅，工程师，航天材料及工艺研究所，北京市 ：，?工 具 技 术