XZSH^TechnotogyandMan^________________________________________________________2021年第1期
AITiN涂层刀具精铳TC4钛合金工艺参数的影响与优化 王胜①周明妥①魏小华①余文利①②郑丽文®®
(①衢州职业技术学院机电工程学院，浙江衢州324000；②浙江大学机械工程学院，浙江杭州310027)
摘要：采用AITiN涂层4刃010nun硬质合金立铳刀，在VMC850立式加工中心上对TC4钛合金进行铳削精加工试验。利用高精密数字化检测设备，对加工成形的TC4钛合金试件表面粗糙度、平面度、 平行度、表面形貌、残余应力及显微硬度测量。分析AITiN涂层刀具在设定不同工艺参数条件下
TC4钛合金的整体加工质量和表面形貌变化规律。结果表明：在主轴转速"=8000r/min、每齿进
给量£=0.04mm/z、切削深度AJ=0.5mm的最优精铳工艺参数下,TC4钛合金工件的加工质量和 表面形貌好，刀具寿命长，其平面度为0.39Jim，平行度为0.33jun，表面粗糙度为0.70呻，表面残余
应力为-175MPa，表面显微硬度为269HV。。，实现了TC4钛合金的高质量高效率的精铳加工。
关键词：TC4钛合金；AITiN刀具；加工精度；表面形貌；残余应力；显微硬度
中图分类号:G71,TG547,TQ163文献标识码:A
DOI：10.ki.1005-2402.2021.01.012
Influence and optimization of technological parameters in high
speed milling TC4titanium alloy with AITiN coated cutter
WANG Sheng®,ZHOU Mingan®,WEI Xiaohua®,YU Wenli®®,ZHENG Liwen®®
(①The Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Quzhou College of Technology,Quzhou324000,CHN；
②School of Mechanical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027,CHN)
Abstract:Using AITiN coated4-edge</>10mm carbide end milling cutter,the milling finishing experiment of TC4 titanium alloy was carried out on VMC850vertical machining center.The surface roughness,flatness,
parallelism,surface morphology,residual stress and microhardness of the machined TC4titanium alloy
specimen were measured by using high precision digital testing equipment.T he overall machining quality
and surface morphology of TC4titanium alloy with AITiN coated tool under difierent process parameters
were analyzed.The results show that under the optimal finishing process parameters of spindle speed n=
8000i/min,feed per tooth£=0.04mm/z,and cutting depth=0.5mm,TC4titanium alloy work
piece has good machining quality and surface morphology,long tool life,flatness of0.39|xm,parallelism
of0.33|xm,surface roughness of0.70|xm,surface residual stress of-175MPa,and surface microhard
ness of269HV02,thus realizing high-quality and high-efficiency finishing of TC4titanium alloy.
Keywords:TC4titanium alloy；AITiN tool；machining accuracy；surface topography；residual stress；microhardness
TC4钛合金具有优良的耐腐蚀性能，其拥有密度小、强度高、韧性强的优良性能，被广泛用于高端精密及航空航天等较为重要的零部件上⑴。但钛合金的弹性模量小、化学活性强及导热系数低，使得钛合金机械切削加工性能相对较差，在精铳削过程中的工件表面加工质量不高、加工效率低的现象很严重or。
国内外学者对TC4钛合金在数控加工领域开展了系统深入的试验研究，并取得了TC4钛合金数控加工工艺参数对其形状精度、切削温度及微观组织等方面的影响规律。朱德荣等人⑶设计了TC4盘铳开槽正交实验，研究TC4盘铳表面变质层规律及工艺参数对变质层的影响，得出了铳削速度对TC4钛
*浙江省基础公益研究资助项目(LGC21E050002)；浙江省教育厅一般科研项目成果(Y202044634)；衢州市科技计划项目成果(2020K17)；国家自細■学基金项目资助⑸605252)
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刻出滋*訂诚?
Technology end Manufacture 202勺年第勺期
合金加工质量的影响规律。邵明辉等人⑷对TC4标准试件进行单轴拉伸试验，得到了钛合金材料的基本力学性能参数，分析了车削温度和车削三向振动加速度之间的关系，得到最优车削工艺参数。刘士杰等人⑸分别在正极性和负极性条件下对TC4钛合金进行混粉准干式电火花表面强化，分析了强化层微观组织结构及性能，为钛合金的数控加工提供了工艺参考。冯毅雄等人⑷建立了TC4钛合金高速铳削加工模型，研究了薄壁钛合金加工工艺参数理论，验证了模型预算的正确性与有效性。罗学全等人⑺以TC4钛合金为铳削对象，研究分析了PVD涂层刀具在铳削TC4过程中的刀具失效形式与工件表面质量的变化。王健杰等人屈采用自行设计的球形固结磨料磨头开展TC4钛合金研磨实验，分析了研磨成形机理与模型优化，得到了最佳研磨工艺与参数。刘熊等人⑼利用干式电火花加工技术，对TC4钛合金进行表面强化作用，得出了钛合金强化层硬度性能较好的结论。Che-Haron[10]等人对TC4钛合金进行车削后的表面硬度值测定，试验得出TC4表面铳车削硬化区域表面质量变化深度的关系，为高速车削TC4提供参考依据。Hughes1111等人对TC4钛合金进行铳削试验，分析优选了刀具刃口几何角度对工件表面完整性的切削工艺。
随着航空制造业的不断发展,TC4钛合金产品零件的加工精度及表面质量等性能指标，便成为学者研究的热点方向。但目前针对TC4钛合金材料在AlTiN 涂层刀具精铳加工过程中，工艺参数变化对TC4钛合金加工质量及力学性能影响的相关研究成果不多。鉴于此，本文以4齿刃AlTiN涂层刀具精铳加工TC4钛合金为研究方向，综合分析了精铳工艺参数对TC4试件表面粗糙度、平面度、平行度、刀具磨损、工件表面形貌、残余应力及显微硬度的影响规律。
1精铳试验设计
1.1试验材料
采用试验材料为普通热处理后的TC4钛合金，试验毛坯规格：65mmx65mmx40mm o热处理工艺为：经900T固溶1h后水冷；再经400T时效3.5h后，空冷。经上述热处理后,TC4的室温力学性能如表1所示，化学成分如表2所示理⑶。
表1TC4钛合金室温力学性能
屈服强度/MPa弹性模量/GPa密度/(kg■m-3)泊松
91012041150.31
表2TC4钛合金化学成分<<></(%) Al V Fe0C H N Ti
5.50 4.35W0.30W0.19W0.1W0.02W0.05余量
1.2试验参数
在合理的切削工艺参数范围内，设定精铳工艺参数进行加工试验，研究不同工艺参数对TC4钛合金试
件的平面度、平行度、表面粗糙度、刀具磨损形貌、工件表面形貌、表面残余应力及表面显微硬度各指标的影响变化规律，并优选出精铳参数条件下最佳工艺参数组合。试验中将主轴均值设定为精铳转速n=8000r/ min[14]，结合切削参数公式，刀具进给速度F(mm/ min)与每齿进给量£的关系:F=£xZXn(Z为铳刀齿数;"为主轴转速龙为每齿进给量)，所以，当设定n 为定值时，进给速度F值取决于每齿进给量力值设置相应的精铳加工参数如表3所示。
表3精铳试验工艺参数表
参数组号
每齿进给量切削深度
△d/mm
单段铳削
时间t/S 1#0.020.36
2#0.020.56
3#0.020.76
4#0.040.33
5#0.040.53
6#0.040.73
7#0.080.3 1.5
8#0.080.5 1.5
9#0.080.7 1.5
1.3精铳试验平台
试验中选择云南机床厂制造的高精密VMC850立式五轴加工中心(FANUC系统)，按照高精度铳削加工的定位与毛坯处理要求，将4齿刃AlTiN刀具装夹至加工中心主轴上，将TC4钛合金毛坯型材固定于高精密夹具中，并用直径为100mm的面铳刀进行试验前基准平面加工，以满足铳削试验基准面高精度的要求[⑷o对铳削试验切削成形后的9组试件，采用特定品牌AlTiN涂层四齿刃立铳刀，刀具参数为：螺旋角为45。、直径为10mm。精铳加工全程采用博润Microsol 585切削液全程润滑及冷却，如图1所示。
1.4试件表面质量与加工精度测试
如图2所示，将数字化测试检测环境温度设置成22±1P，将9组试件放置在检测室24h后进行各项指
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工艺与制造Technology and Manufacture.2021年第1期
标的检测［⑷。试件平面度和平行度的测量，采用爱德华公司全闭环高精度Daisy8106型三坐标测量机，选择触针头直径为0.5mm的测针，数据采集方式为垂直于工件成形平面，同时结合INCA3D软件进行指标测量。表面粗糙度采用高精密CV3200的日本三丰全自动式轮廓与粗糙度一体仪进行测量，设置工件宽度为2mm，测量长度为10mm，选择平行于试件已加工平面的无损检测方式。试件表面形貌和刀具磨损形貌使用国产KYKY-EM3200扫描电子显微镜进行测量。表面残余应力选择iXRD便携式X射线残余应力测试仪测量，设置管电压为16kV，管电流为2mA，衍射角度为128.33。工-16］，平行于试件平面测量。表面显微硬度选择上海牌自动转塔显微维氏硬度计测量，加载载荷为200g，保压时间为10s。
(a)精铳加工示意图
(b)精铳加工试验平台
图］精铳加工试验示意图
图2数字化测试检测平合2精铳试验结果与分析
2.1精铳参数对平面度与平行度的影响
2.1.1平面度的检测
设定工艺参数条件下精铳加工对平面度的影响规律如图3所示。在表3条件下，铳削试验的9件试件中，平面度值最低出现在5#参数，即每齿进给量力二0.04mm/z，切削深度Ac?=0.5mm o由此可见此参数在精铳加工TC4钛合金过程中，作为平面度的控制最有效，参数组合最合理，能得到高质量平面加工精度O 再次分析图3可知，试件平面度值最大为9#参数，平面度值为3.63pun，其精铳参数力二0.08mm/z,A^=0.7 mm，在设定的参数中数值最大。由此可知平面度的控制，切削深度M与每齿进给量力较大时,AlTiN刀具铳削钛合金平面度难以保证，要得到高精度的平面度需要结合主轴转速、切削深度、每齿进给量的综合设置，优选5#参数进行精铳加工时试件平面度最好，平面度值最小为0.39|xm o
2.1.2平行度的检测
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.Technology and Manufacture
工艺与制造
2021年第［期
先采用高精度面铳刀对钛合金表面进行精铳，获 得待精铳加工表面的参照平面后，再利用AITiN 刀具
结合精铳工艺参数对钛合金进行精铳加工，并将加工
成形后的表面作为平行度检测面，经三座标测量后平
行度综合变化规律曲线如图4所示。综合分析平行度 变化曲线发现，精铳加工试验的9件试件中，平面度值
最低仍为5#参数。由此可知,TC4钛合金在AITiN 刀 具铳削过程中，综合选择5#工艺参数(每齿进给量f z 二
0.04 mm/z，切削深度二0.5 mm)进行铳削，能够得
到最佳的铳削平行度。
2.2铳削参数对表面质量的影响
精铳工艺参数对TC4钛合金加工表面粗糙度的
影响规律曲线如图5所示。其中,Ra 为轮廓算术平均 粗糙度值，结合表3，综合分析图5可知，在3#、6#、9#
参数下粗糙度值较大，其中最大值出现在9#参数，其
脳= 4.51 |xm，且这3组参数的每齿进给量在0.02~ 0.08 mm/z 变化的过程中，均存在0.7 mm 的最大切削
深度。再次分析图5可知，在1#、4#、5#、7#参数条件 下试件粗糙度值较小，其中最小值出现在5#参数，其 Ra = 0.70 |xm ，且这4组每齿进给量由0.02 ~ 0.08 mm/z
变化过程中，均存在0.3-0.5 mm 的较小切削深度。
综上可知,AITiN 刀具精铳加工TC4钛合金时，工
件表面粗糙度随切削深度的增大而增大，试件在5#参
数下精铳加工时，粗糙度值最小，加工质量最高。
精铳试验参数组号
图5精铳参数对表面粗糙度的影响
2.3铳削参数对表面形貌与刀具的影响2.
3.1对工件表面形貌影响
在表3条件下，对试验完成后的TC4工件表面宏 观形貌进行观察，如图6所示。从不同精铳工艺参数
条件下试件表面形貌可以看出：当切削深度为定值而 每齿进给量由0.02增至0.08 mm/z 的情况下，即1#、
4#、7#和2#、5#、8#及3#、6#、9 #参数条件下，工件表面
宏观形貌发生了明显变化，主要随每齿进给量的增大, 呈“先好后差”的变化趋势，可见工件表面形貌对每齿 进给量的变化敏感。再结合图6分析，发现4#、5#、6#
参数组下的工件表面形貌较好，其工件表面光洁度、刀 路纹理及平滑度较好；再次结合图3〜5得到的加工质
量结果，综合考虑选择5#参数进行精铳加工，工件表
面质量与表面形貌最好。
图6精铳参数对TC4试件表面宏观形貌
2.3.2对刀具磨损形貌影响
在表3条件下，以保证TC4钛合金高速铳削加工
质量为前提，利用AITiN 刀具在选择第5组参数下，采 用博润Microsol 585冷却液润滑方式循环铳削100次
(300 s)，刀具磨损宏观形貌如图7所示。从图7可以
看出：刀尖1~4均出现不同程度的磨钝现象，这是由
于刀尖处刀具强度较弱造成的；同时，刀刃1〜4以及
端刃后角也存在磨钝现象，这是由于精铳削过程中的
切削热引起刀具表面组织的热软化作用造成的；再次
观察图7发现，刀刃、刀尖以及端刃后角的磨损仅表现
为刀具表层组织的磨损，其正处于正常磨损阶段，此阶 段下刀具有效耐用度与使用寿命最长”］。
端刃后角磨损区域
刀尖1磨损区.刀刃1磨损区
刀刃2磨损区=刀尖2磨损区°
刀刃3磨损区
刀尖3磨损区
刀刃4磨损区
刀尖4磨损区
0.1 mm
图7精铳参数对AITiN 刀具磨损宏观形貌
2.4表面残余应力的影响
精铳工艺参数对TC4钛合金表面残余应力的影
响规律如图8所示。TC4工件精铳加工表面主要表现 为残余压应力，其主要由加工区域的塑性变形与实际
切削区的切削热上升导致的热软化效应共同作用决
・71
・
nology and Manufacture.
定[切。综合分析图8表面残余压应力曲线规律，表面
残余压应力绝对值处于最高的位置发生在1#参数下, 其每齿进给量£与切削深度值最小，即此时工件
表面切削层处于低进给量与低切削速度的状态，热软 化作用在工件表面并不明显。当切削深度Ad 值逐渐
增大的过程中，由图8可看出，工件表面残余压应力随
△d 的增大而逐渐下降，此时工件表面的热软化作用较
为明显，造成已加工表面残余压应力值下降。随着加
值的变化，工件表面残余应力值也呈现规律性的波动,
直到切削深度为0.7 mm，每齿进给量为0.08 mm/z 时, 出现表面残余压应力值最小为-45 MPa，此时刀具的 进给切削速度最大，切削深度最大，工件表面的热软化
作用占据主导位置，加工表面残余应力值随之降低。 可见,AlTiN 刀具精铳TC4表面时均存在残余压应力, 而金属表面的残余压应力可提高材料的抗疲劳性能,
对工件的耐用度是有益的口。
综上分析可知,TC4表面残余应力值同时受切削 深度与每齿进给量的增大而减少。在精铳过程中既要
保持适中的残余应力，又要有较好的加工质量与效率,
所以5#参数为最佳选择。
精铳试验参数组号
123456789
0 5 0 5
57 0 4 7 1 4
- J -1J -2
-2 E g g
俱塢酌暄給
图8精铳参数对表面残余应力的影响
2.5表面显微硬度的影响
精铳工艺参数对TC4钛合金表面显微硬度值的影
响规律如图9所示。精铳加工后，表面显微硬度值最高
出现在1#工艺参数，其每齿进给量力= 0.02 mm/z 和切 削深度Ad = 0.3 mm，在9件加工工艺参数中的值最小,
导致工件表面切削层处于低进给量与低切削速度的状
态，热软化作用在试件表面不明显。结合表3，再次分析
图9可知，当设定每齿进给量f 2 = 0.02 m/z 状态下的1#、 2#、3##数，随着切削深度由0.3 mm 增至0.7 mm 的过程
中，显微硬度值由307 HV°.2逐渐降至275 HV°.2，呈下降 的规律。同时，当设定力=0.04 mm/z 状态时的4#、5#、6 ##数和设定Z = 0.08 mm/z 状态时的7#、8#、9#参数，而
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2021年第1期
表现出的2段曲线变化规律，其显微硬度值均随切削深 度的增大，呈明显下降规律。综上分析可知，当切削深
度越大试件的显微硬度值越小，最小值出现在9#参数精
铳时，显微硬度值为184 HV o .2。
综合考虑,AlTiN 刀具对TC4工件精铳加工既要 实现高质量高精度的加工，又要保持工件硬度及耐用
度，所以5#参数精铳工件为最佳选择。因为在5#参数 条件下精铳工件的平行度、平面度、表面粗糙度及工件
形貌最好，达到高质高精加工要求，并且工件残余压应
力绝对值与表面显微硬度值均适中。
O 23o o o o o O 0 8 6 4 2 03 2 2 2 2 2
Z.0AH/W
曇翟
M
o 12345678 9
精铳试验参数组号
图9精铳参数对表面显微硬度的影响
3结语
本文研究了特定品牌4齿刃AlTiN 刀具在精铳
TC4钛合金过程中的每齿进给量、切削深度等精铳工
艺参数的变化，对工件平面度、平行度、表面粗糙度、表 面形貌、残余应力、显微硬度以及刀具磨损形貌的影响 规律，具体结论如下：
(1) 在AlTiN 刀具精铳削TC4钛合金试验中，获
得的最优精铳工艺参数为主轴转速“ =8 000 r/min，切
削深度Ad = 0.5 mm，每齿进给量f * = 0.04 mm/z，在此 精铳参数条件下，刀具处在正常磨损阶段，此时刀具的
耐用度与使用寿命预期较长，工件精铳加工表面形貌
和加工质量最好。具体指标分别是：平面度为0.39 Jim ，平行度为0.33 |JLm 、表面粗糙度为0.70 |im 、表面残
余应力为-175 MPa 、表面显微硬度为269 HV 0.2o
(2) 在设定精铳工艺参数试验条件下，表面残余
应力同时受切削深度与每齿进给量的增大而减少；表
面显微硬度值主要受切削深度的影响较为敏感，显微
硬度值主要随切削深度值的增大而减小。
参考文献
[1] Wen Runsheng, Zhang Yang. Defbnnation analysis of TC4 titanium alloy
shell material [J]. Key Engineering Materials , 2019, 814： 132-136.
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