航空用TC18钛合金的车削加工工艺技术研究

2011 年 第 30 卷 11 月 第 11 期 机 械 科 学 与 技 术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering November Vol． 30 2011 No． 11 收稿日期:2010-08-14 基金项目:国家 863 高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(2007AA03Z521)和国 家自然科学基金项目(51171154，50671085)资助 作者简介:杜东兴(1984 －) ，博士研究生，研究方向为材料腐蚀控制 与 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面技术，ddx4142@ 126． com;刘道新(联系人) ，教授， 博士生导师，liudaox@ nwpu． edu． cn 杜东兴 航空用 TC18 钛合金的车削加工工艺技术研究 杜东兴1，刘道新1，孙瑜峰2，李世平1 (1 西北工业大学 航空学院，西安 710072; 2西安飞机国际航空制造股份有限公司，西安 710089) 摘 要:研究了难加工材料新型超高强度 TC18 钛合金的车削加工工艺技术。通过探讨机械加工 表面粗糙度 Ra 对 TC18 钛合金疲劳寿命的影响规律，揭示了严格控制车削加工零部件表面粗糙度 的重要性。利用正交试验法设计了车削加工工艺参数，以零件表面粗糙度 Ra 值为车削加工表面质 量评价指标，采用直观 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 法、方差分析法、Taguchi分析法以及多元线性回归分析法综合分析了车 削加工试验结果。结果表明:机加工表面粗糙度对 TC18 合金疲劳寿命有重要的影响;车削加工走 刀量 f对 TC18 钛合金表面粗糙度影响最为显著。得到了一组优化的车削加工工艺参数，建立了预 测车削加工 TC18 钛合金表面粗糙度与车削转速、走刀量和切削深度之间关系的定量方程，验证试 验证明了其正确性。 关 键 词:车削加工;TC18 钛合金;正交试验;表面粗糙度;疲劳寿命 中图分类号:TH871 文献标识码:A 文章编号:1003-8728(2011)11-1805-06 Study on the Turning of TC18 Titanium Alloy for Aviation Du Dongxing1，Liu Daoxin1，Sun Yufeng2，Li Shiping1 (1College of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072; 2Xi'an Aircraft International Corporation，Xi'an 710089) Abstract:In this paper，the turning technology of a new kind of titanium alloy TC18 with ultra high strength is studied． First of all，the importance of accurate control of the surface roughness of turning parts is revealed by ana- lyzing influence law of the machining surface roughness Ra on the fatigue life of TC18 titanium alloy． Then the or- thogonal experiment is designed for turning parameters，and the surface roughness Ra value is used as the evaluation criterion of turning surface quality． At last，visual analysis，variance analysis，Taguchi method and multivariate lin- ear regression analysis method are totally taken to analyze the results of turning test． The results show that the ma- chined surface roughness has an important influence on fatigue life of TC18 titanium alloy，and the cutting feed f has the most significant effect on the machined surface roughness． A set of optimized parameters is obtained． It is established a quantitative correlation equation between spindle speed，cutting feed and depth with the surface roughness in the turning process of TC18 titanium alloy workpiece． Finally，the confirmation test proves that the ob- tained optimal parameters and the prediction equation of Ra are correct． Key words:turning;TC18 titanium alloy;orthogonal test;surface roughness;fatigue life 近年来我国自主开发了 TC18(Ti-5Al-5Mo-5V- 1Cr-1Fe)超高强度钛合金，该合金兼有 α + β钛合金 和 β钛合金的综合性能，强度高、韧性好，焊接性能 优，特别适用于制造飞机起落架等关键部件［1，2］。 然而，钛合金导热性能差，易于粘刀，因而切削加工 难度大，而 TC18 钛合金强度高，故其加工难度比一 般钛合金更大［3 ～ 5］。车削加工是飞机起落架等关键 机 械 科 学 与 技 术 第 30 卷 部件的重要加工工序，车削加工试样表面粗糙度对 其力学性能，尤其是对疲劳性能影响显著［4 ～ 6］，加之 钛合金材料的力学性能对表面状态尤为敏感，因此， 在车削加工中合理地控制加工零部件的表面粗糙度 十分重要。另外，在保障合适的加工件表面质量的 前提下，提高加工效率、并兼顾合理的刀具寿命也是 十分必要的［5，6］。关于钛合金切削加工技术的研究 已有开展，并得到了一些有价值的数据和规 律［3 ～ 10］，然而多数研究工作主要针对刀具的磨损方 面［7 ～ 10］，而关于车削加工对钛合金表面粗糙度影响 研究的工作相对较少，而以加工件表面粗糙度为判 据对 TC18 钛合金车削加工工艺参数进行优化的研 究工作，目前尚很少见报道。 首先研究机械加工表面粗糙度 Ra 对 TC18 钛 合金疲劳寿命的影响规律，以验证严格控制车削加 工试样表面粗糙度的重要性。然后利用正交试验法 设计车削加工工艺参数，并以零件表面粗糙度 Ra 值 为车削加工表面质量评价指标，对 TC18 钛合金车 削加工工艺参数进行优化研究。 1 材料及试验方法 1. 1 试验材料与试样 车削加工的材料对象为 TC18 超高强度钛合金 棒料，直径 40 mm。热处理制度为:840 ℃，1 h +炉 冷 + 750 ℃，1 h +空冷 + 600 ℃，2 h +空冷。通过 双重退火处理获得 α + β双相组织。TC18 钛合金的 化学成份、室温力学性能分别如表 1、表 2 所示。 表 1 TC18 钛合金的化学成分质量分数 /% 元素 Al Mo V Cr Fe C O N H Ti 质量分数 5. 10 5. 14 5. 06 0. 93 0. 98 0. 021 0. 15 0. 02 0.0 027余量 表 2 TC18 钛合金室温下的力学性能 σb /MPa σ0. 2 /MPa δ5 /% ψ /% 1 220 1 160 17. 0 48. 2 旋转弯曲疲劳试样几何形状及尺寸如图 1 所 示。为了揭示机械加工表面粗糙度对 TC18 钛合金 疲劳性能的影响规律，分别采用粗车、精车和精车后 机械抛光的方法制备表面粗糙度 Ra 值分别为 2 μm、0. 8 μm 及 0. 06 μm 的 3 种疲劳试样，进行疲 劳寿命对比试验研究。 图 1 疲劳试样几何形状及尺寸 1. 2 试验方法 TC18 钛合金的车削工艺试验研究在 CM6140 车床上进行，使用伊斯卡(ISCAR)公司生产的带 TiAlN涂层的硬质合金刀片，刀片型号为 WNMG 080412-TF，配合刀杆型号为 PWLNR 2020K-08X。 TC18 钛合金的车削工艺参数优化采用分别采 用如表 3 所示的三水平 L9(3 4)正交试验方法，因素 A、B、C分别代表转速、走刀量及切削深度，由于加工 参数只有 3 个，所以 D 列为空列作为误差列。通过 改变切削速度、走刀量以及切削深度，研究车削工艺 参数对 TC18 钛合金表面粗糙度的影响规律。车削 加工试验在冷却液充分供给的条件下进行。 表 3 车削试验加工参数正交表 L9(3 4) 试验 编号 A转速 v /(r·min －1) B走刀量 f /(mm·r － 1) C切削深度 ap /mm D空列 1 100(1) 0. 2(1) 1. 5(1) (1) 2 100(1) 0. 3(2) 2. 5(2) (2) 3 100(1) 0. 4(3) 3. 5(3) (3) 4 200(2) 0. 2(1) 2. 5(2) (3) 5 200(2) 0. 3(2) 3. 5(3) (1) 6 200(2) 0. 4(3) 1. 5(1) (2) 7 400(3) 0. 2(1) 3. 5(3) (2) 8 400(3) 0. 3(2) 1. 5(1) (3) 9 400(3) 0. 4(3) 2. 5(2) (1) 注:括号内为各参数的 3 个水平 钛合金车削加工试件表面粗糙度的测量利用日 本三丰公司的 Surf Test SJ-201 型粗糙度仪。疲劳试 验采用 PQ-6 型旋转弯曲疲劳试验机，转速 3 000 r /min，室温下进行。首先通过精车试样的应 力寿命(S-N)曲线测试，确定合适的最高循环应力 水平条件，在此相同应力条件下对比各表面粗糙度 状态试样的中值疲劳寿命，平行试样为 5 件。 1. 3 数据分析方法 分别采用直观分析法、方差分析法、Taguchi 分 析法以及多元线性回归分析法综合分析车削加工试 验结果［11 ～ 15］。Taguchi分析法是由日本田口玄一博 士创立的，它是一种以试验技术为基础，通过系统设 计、参数设计和容差设计提高与改进产品质量的一 6081 第 11 期 杜东兴等:航空用 TC18 钛合金的车削加工工艺技术研究 种质量工程方法。田口法的核心分析工具是正交表 和信号与干扰比 S /N。在 S /N 分析中，性能特性可 以分成望小特性、望大特性和望目特性。为了获得 最佳的加工性能，对表面粗糙度应采用望小特性来 研究。对于望小特性，S /N比值公式为 S /N = － 10lg 1n∑ n i = 1 Y2i (1) 式中:Yi是第 i次实验结果(即试验中被加工零件表 面粗糙度的实际测量值)。可以通过信号与干扰比 和方差分析来预测车削过程可变参数的最佳组合。 根据上述分析方法确定最佳车削加工参数，最 后，通过验证性试验来考核所确定的最佳车削加工 参数的合理性。 2 试验结果与分析 2. 1 表面粗糙度对 TC18 合金疲劳寿命的影响 表 4 所示为分别采用粗车、精车和精车后机械 抛光的方法制备的 3 种表面粗糙度(Ra 值分别为 2 μm、0. 8 μm及 0. 06 μm)疲劳试样在 600 MPa 最 大循环应力条件下的疲劳寿命试验结果，每种表面 粗糙度平行试样为 5 件。600 MPa 最大循环应力水 平条件的确定依据对精车试样的应力-寿命(S-N) 曲线的测试结果。 表 4 试样表面粗糙度 Ra 对疲劳寿命的影响 疲劳试样 加工方法 试样表面 粗糙度 Ra /μm 疲劳寿命 N /次 单个试样 平均值 疲劳寿命 比值 r 粗车 2. 0(均值) 32 882 23 658 25 854 24 710 34 041 28 229 1 精车 0. 8(均值) 1 941 149 1 561 161 740 433 1 862 039 1 439 903 1 508 937 53 精车 + 抛光 0. 06(均值) 1 459 720 931 510 3 501 893 1 987 854 915 852 1 759 366 62 表 4 所示的疲劳寿命试验结果表明，机械加工 表面粗糙度对 TC18 钛合金疲劳寿命有显著的影 响，表面粗糙度愈大，其疲劳寿命愈低，粗车试样 (Ra = 2. 0 μm)的疲劳寿命分别是精车试样(Ra = 0. 8 μm)和抛光试样(Ra = 0. 06 μm)疲劳寿命的 1 /53和 1 /62，故机械加工中必须严格控制工件的表 面粗糙度。原因是钛合金对表面缺口敏感性高，尤 其是 TC18 钛合金属于超高强度钛合金，其表面缺 口敏感性会更高［16］。 此外，为了模拟承受弯曲交变载荷的航空零部件 而采用了旋转弯曲疲劳试验方法，试样表面承受最大 的交变应力幅值，故疲劳裂纹首先从表面萌生，因而 表面粗糙度愈大，其疲劳裂纹愈易于在表面萌生，裂 纹萌生寿命所占总寿命的比例会降低，由此导致钛合 金表面粗糙度愈高，其疲劳抗力愈低。另外通过对比 抛光和精车试样的疲劳寿命可以发现，尽管二者的表 面粗糙度 Ra 值相差 1个数量级，然而，前者的疲劳寿 命仅仅比后者提高了 16. 6%，这说明 TC18 钛合金的 疲劳寿命与表面粗糙度 Ra 值并非呈线性变化关系， 通过合适的精车参数控制表面粗糙度达到一定数值 后，即可获得很高的疲劳抗力。由此可见，对于承受 疲劳载荷的超高强度 TC18钛合金零件的车削加工来 说，可以用表面粗糙度值 Ra 值作为评价指标，通过优 化加工参数试验，获得合理的车削加工参数，以保证 较高的 TC18钛合金的抗疲劳性能。 2. 2 直观分析 表 5 为对应表 3 所示的不同车削加工参数下所 制备试样的表面粗糙度测试结果，考虑到试件表面 粗糙度分布的分散性和测试数据的可靠性，采取测 试被加工试件表面 3 处不同位置的表面粗糙度，并 取平均值作为试验结果。 表 5 制备试样的表面粗糙度试验测试结果 试验编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ra /μm 1. 07 1. 27 2. 39 0. 82 1. 27 2. 42 0. 99 1. 52 2. 21 由表 5 所示的试验结果可以看到，4 号参数加 工试样的表面粗糙度值最小，Ra = 0. 82 μm，即与前 面疲劳试验中的精车试样的表面粗糙度相近，其加 工 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 为 A2B1C2(表示 A 因素第二个水平、B 因素 第一个水平、C 因素第二个水平，即转速为 200 r /min、走 刀 量 为 0. 2 mm /r、切 削 深 度 为 2. 5 mm) ;其次是 7 号参数下加工件的表面粗糙度 值较低，Ra = 0. 99 μm，其加工方案为 A3B1C3。 7081 机 械 科 学 与 技 术 第 30 卷 上述结果是通过试验直接得到的，为了进一步 寻找最佳因素水平配合方案，分析过程中采用文献 ［12］中的主要计算公式，计算各因素的极差值如表 6 所示，得到了各因素对零件表面粗糙度值的影响 趋势图如图 2 所示。 表 6 零件表面粗糙度 Ra 极差分析表 水平 A B C 1 1. 58 0. 96 1. 67 2 1. 50 1. 35 1. 43 3 1. 57 2. 34 1. 55 极差 R(max － min) 0. 08 1. 38 0. 24 影响重要性排名 3 1 2 图 2 各车削参数对零件表面粗糙度 Ra 的影响趋势图 由表 6 所示分析结果可以看出各影响因素的极 差关系为 RB ＞ RC ＞ RA，由此可以得到影响零件表面 粗糙度各因素的主次顺序为:走刀量 B ＞切削深度 C ＞转速 A。 从图 2 可以看出:因素 B(走刀量)对零件表面 粗糙度影响最大，随着走刀量的增大，零件表面粗糙 度急剧增加;因素 A与因素 C 对零件表面粗糙度影 响规律一致，均存在极小值点。从图 2 可以直观得 到获得最低零件表面粗糙度的最优车削加工参数组 合方案为 A2B1C2(即转速为 200 r /min、走刀量为 0. 2 mm /r、切削深度为 2. 5 mm)。根据 2. 1 节的疲 劳试验结果可知，采用该车削加工参数可以获得很 高的 TC18 钛合金疲劳抗力。 2. 3 方差分析 直观分析不能估计试验中必然存在的误差的大 小，即不能区分因素各水平所对应的试验结果间的 差异究竟是由于因素水平不同所引起的，还是由于 试验误差造成的，因而不能知道分析的精度。为了 弥补直观分析的不足，可采用方差分析的方法。 方差分析就是利用试验结果的信息，对试验中 哪些因素对试验结果有显著性作用，哪些因素没有 显著作用作出合理判断的统计方法。表 7 所示为方 差分析结果，对于给定显著水平 α = 0. 01 或 0. 05， 因素 B(走刀量 f)对粗糙度影响是非常显著的，因素 C与因素 A对粗糙度的影响不显著。这个结论与直 观分析得到的结论是一致的。走刀量 f 是车削 TC18 钛合金零件表面粗糙度的主要影响因素，这一 结论从理论分析上也得到了支持［5］。 表 7 方差分析结果 方差来源 偏差平方和 自由度 均方 F值 Fα 显著水平 A 0. 01 2 0. 005 1. 00 B 3. 03 2 1. 515 303. 00 C 0. 09 2 0. 045 9. 00 D误差 e 0. 01 2 0. 005 总和 3. 14 8 F0. 05(2，2)= 19. 00 F0. 01(2，2)= 99. 01 非常显著 2. 4 Taguchi法分析 零件表面粗糙度 Ra 的望小特性 S /N 比的计算 分别将试验结果代入公式(1) ，计算得到 S /N比值， 表 8 所示为正交试验表 L9(3 4)及试验与计算结果。 在 Taguchi 分析方法思想中，S /N 比值越大越好。 进一步计算信号与干扰比响应列入表 9 中，并绘出 各影响因素水平对S /N比值的趋势图如图 3 所示。 8081 第 11 期 杜东兴等:航空用 TC18 钛合金的车削加工工艺技术研究 表 8 正交试验表 L9(3 4)及试验与计算结果 试验编号 A转速 v /(r·min －1) B走刀量 f /(mm·r － 1) C切削深度 ap /mm D空列 Ra /μm S /N /dB 1 100(1) 0. 2(1) 1. 5(1) (1) 1. 07 － 0. 59 2 100(1) 0. 3(2) 2. 5(2) (2) 1. 27 － 2. 08 3 100(1) 0. 4(3) 3. 5(3) (3) 2. 39 － 7. 57 4 200(2) 0. 2(1) 2. 5(2) (3) 0. 82 1. 72 5 200(2) 0. 3(2) 3. 5(3) (1) 1. 27 － 2. 08 6 200(2) 0. 4(3) 1. 5(1) (2) 2. 42 － 7. 68 7 400(3) 0. 2(1) 3. 5(3) (2) 0. 99 0. 09 8 400(3) 0. 3(2) 1. 5(1) (3) 1. 52 － 3. 64 9 400(3) 0. 4(3) 2. 5(2) (1) 2. 21 － 6. 89 由表 9 可以看出，各参数水平对 S /N 的影响效 应不同，其中因素 B(走刀量 f)影响最大，且随着走 刀量的增加 S /N值急剧下降;因素A(转速 v)与因素 C(切削深度 ap)对车削试件表面粗糙度影响规律一 致，均存在极大值点。根据各因素对 S /N的影响程度 可以判定各车削参数对表面粗糙度的影响按主次排 列次序依次为:走刀量 f ＞ 切削深度 ap ＞ 转速 v。 表 9 信号与干扰比响应 水平 A B C 1 － 3. 41 0. 41 － 3. 97 2 － 2. 68 － 2. 60 － 2. 42 3 － 3. 48 － 7. 38 － 3. 19 对 Ra 的效应(max － min) 0. 80 7. 79 1. 55 影响重要性排名 3 1 2 图 3 各车削参数水平对 S /N比值影响的趋势图 根据 Taguchi分析方法思想中 S /N 比值越大越 好的原则，从图 3 中可以得到获得零件表面粗糙度 最低的最优车削参数组合方案为 A2B1C2 (即转速为 200 r /min、走刀量为 0. 2 mm /r、切 削 深 度 为 2. 5 mm) ，该分析结果与直观法、方差分析法的分析 结果是一致的。 2. 5 多元线性回归分析 根据表 8 所示的试验方案及试验数据，采用数 理统计分析软件 SPSS 13. 0 进行多元线性回归分 析，可得车削试件表面粗糙度 Ra 与车削加工参数之 间关系的多元线性回归方程 Ra = － 0. 378 + 4. 05 × 10 －5v + 6. 9f － 0. 06ap (2) 上述回归方程可作为车削加工工件表面粗糙度 数值的预测方程。 2. 6 验证试验 为了进一步验证上述优化车削加工参数组合方 案及加工件表面粗糙度预测方程的合理性与可靠 性，进行了验证试验。根据前面分析得到的最优参 数组合为 A2B1C2(即转速为 200 r /min、走刀量为 0. 2 mm /r、切削深度为 2. 5 mm) ，进行了 3 次重复验 证试验，试件的表面粗糙度测试结果和根据方程 (2)预测的结果如表 10 所示。 表 10 验证试验件表面粗糙度测试与预测结果 试验编号 测试 Ra /μm 预测 R'a /μm 误差 /% 1A 0. 88 2A 0. 82 3A 0. 80 0. 86 2. 3 4. 9 7. 5 平均值 0. 83 0. 86 4. 9 对比表 10 所示的测试及计算结果可以看到，3 次重复验证试验所加工试件的表面粗糙度测试值分 别为 0. 88 μm、0. 82 μm 及 0. 80 μm，平均值为 0. 83 μm。根据车削试件表面粗糙度预测方程(2) 计算所得到的 Ra = 0. 86 μm，预测值与实际测试值 间的误差平均为 4. 9%。上述验证试验，不仅表明 优化车削参数能获得较低的车削加工件表面粗糙 度，试件的表面粗糙度数值稳定性好，而且表明了所 9081 机 械 科 学 与 技 术 第 30 卷 得 Ra 预测方程的正确性。 3 结论 1)机械加工表面粗糙度对 TC18 钛合金疲劳抗 力有重要的影响作用，粗糙度愈高，疲劳寿命愈低， 粗糙度 Ra 从 2 μm 降低到 0. 06 μm，疲劳寿命提高 61 倍。表面粗糙度 Ra 值可作为疲劳服役工况下钛 合金零部件车削加工参数优化的评价指标。 2)走刀量 f是 TC18 钛合金车削加工零件表面 粗糙度影响最显著的因素，车削加工参数对钛合金 表面粗糙度影响程度的排序为:走刀量 f ＞切削深度 ap ＞转速 v。优化的 TC18 钛合金车削加工参数为转 速 v =200 r /min、走刀量 f =0. 2 mm/r、切削深度 ap = 2. 5 mm，此时可以得到较高的钛合金抗疲劳性能。 3)建立了预测车削加工 TC18 钛合金表面粗糙 度与车削转速、走到量和切削深度之间关系的定量 方程，该方程预测结果与验证试验结果有良好的一 致性。 ［参考文献］ ［1］ 官杰，刘建荣，雷家峰等． TC18 钛合金的组织和性能与热处 理制度的关系［J］． 材料研究学报，2009，23(1) :77 ～ 82 ［2］ 吴晓东，葛鹏，杨冠军等． BT22 钛合金固溶冷却过程中温降 特性分析［J］． 稀有金属材料与工程，2010，39(2) :250 ～ 252 ［3］ Nabhani F． Machining of aerospace titanium alloys［J］． Robot- ics and Computer Integrated Manufacturing，2001，17:99 ～ 106 ［4］ Novovic D，et al． The effect of machined topography and integrity on fatigue life［J］． International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2004，44:125 ～ 134 ［5］ 艾兴，刘战强． 高速切削加工技术［M］． 北京:国防工业出 版社，2003 ［6］ Che-Haron C H． Tool life and surface integrity in turning titani- um alloy［J］． Journal of Materials Processing Technology， 2001，118:231 ～ 237 ［7］ Nabhandi F． Wear mechanisms of ultra-hard cutting tools materi- als［J］． Journal of Materials Processing Technology，2001， 115:402 ～ 412 ［8］ 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