由于鈦合金具有比強度高、熱強度好、耐腐蝕、資源豐富等一系列優點，因此在航空、航天等產業部分中的應用越來越廣泛，用于制作飛機和發動機中的主要構件。在發動機方面，用于制造壓氣機盤、壓氣機葉片、機匣和燃燒室外殼等重要零件；在飛行器結構中用于制造翼梁、隔框和接頭等重要構件。特別在鈦合金整體框架和大型整體壁板制造過程中，加工量相當大，而且很多薄壁部位必須克服結構上的加工變形，亟需解決鈦合金整體框架和大型整體壁板的加工效率和加工質量題目。實踐證實，高速銑切是目前能夠高效可靠地解決這一題目的最經濟的加工手段。因此，有必要研究與鈦合金高速銑削表面完整性相關的基礎理論。

　　1 材料特性 鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+b)型鈦合金，具有良好的綜協力學機械性能。

　　比強度大。 TC4的強度sb=1,012MPa，密度g=4.4×103，比強度sb/g=23.5，而合金鋼的比強度sb/g小于18。

　　鈦合金熱導率低。 鈦合金的熱導率為鐵的1/5、鋁的1/10，TC4的熱導率l=7.955W/m·K。

　　鈦合金的彈性模量較低。 TC4的彈性模量E=110GPa，約為鋼的1/2，故鈦合金加工時輕易產生變形。

　　2 高速銑削的表面完整性

　　試驗條件

　　試件尺寸：420×200×24mm。

　　銑床：X5040立式銑床。

　　刀具：Y330硬質合金螺旋立銑刀，4齒。

　　銑削方式：順銑，周銑。

　　銑削參數：

　　ap=10mm，ae=0.2mm，Vf=100mm/min，n=500r/min(常規銑削參數)；

　　ap=10mm，ae=0.2mm，Vf=500mm/min，n=2,500r/min(高速銑削)。

　　銑削表面完整性的檢測

　　銑削表面下晶粒歪扭層深度檢測 首先對不同銑削參數下的試件取樣，從垂直于銑削表面的任意的一個側面研磨與拋光，然后對其拋光表面腐蝕，便可在金相顯微鏡下觀測到銑削表面下晶粒歪扭程度。當選用A參數時，鈦合金材料加工時表層下會產生較明顯的晶粒扭曲現象，晶粒歪扭層深度達7μm；而選用B參數時，晶粒歪扭不明顯，晶粒歪扭層深度不到1μm。這表明高速銑削對鈦合金晶粒扭曲變形極小，是解決鈦合金整體薄壁結構件加工變形的理想加工方法，也是獲得少或無變質層表面的可靠手段。

　　銑削表面殘余應力及其分布 鈦合金材料對應力狀況非常敏感，特別是加工表面的殘余應力及其分布狀態對構件是否能公道使用是十分重要的。已加工表面的殘余應力有殘余拉應力與殘余壓應力之別，殘余拉應力會降低零件的疲憊強度和使用壽命，而殘余壓應力有時卻能進步零件的疲憊強度和使用壽命。加工表面各部分殘余應力的分布不均勻，也會使工件產生變形，影響工件的外形和尺寸精度。因此，迫切需要了解和研究鈦合金TC4材料高速銑削表面殘余應力及其分布。

　　圖1 低速銑削表面層殘余應力的分布

　　圖2 高速銑削表面層殘余應力的分布

　　用X射線法丈量鈦合金銑削表面的殘余應力。低速銑削表面層殘余應力及其分布見圖1；高速銑削表面層殘余應力及其分布見圖2。從圖中可以看出，低速銑削時，表面殘余壓應力較大，而且沿表層內的拉應力分布梯度也較大，這樣引起材料加工后的變形就很大，而且零件在使用中因應力的衰減會產生更大的變形，造成零件不能正常使用。對于高速銑削表面，表面殘余應力相對要小，并且表面內應力分布的梯度小，零件使用時應力變化緩慢，所引起的零件變形也小得多。由此表明，高速加工技術是薄壁結構件高效加工的可靠手段。

　　銑削硬化層的檢測 銑削選用A參數時，在干切削條件下，銑削表面硬化層的分布深度與顯微硬度的關系如表1所示；銑削用B參數時，在干切削條件下，銑削表面硬化層的分布深度與顯微硬度的關系如表2所示。表1，2表明，鈦合金材料高速銑削比低速銑削表面的顯微硬度低得多，與圖1，2的結果相吻合，說明高速銑削表面上的晶粒發生歪曲變形較小，冷作硬化程度也很小，而且冷作硬化層的深度很淺。通過硬化層深度的測試證實了鈦合金TC4材料在常用銑削速度下加工的不公道性。為了進步數控機床的利用率及改善鈦合金加工表面的質量，應選用更高速度的加工，尤其對鈦合金大型整體壁板和整體框架，高速銑削技術具有其他加工方法無法相比的優越性。

　　表1 低速銑削表面硬化層分布深度與顯微硬度的關系

深度	0	2.5	5	7.5	10	12.5	15	17.5
顯微硬度	383	365	350	342	330	312	312	312

　　表2 高速銑削表面硬化層分布深度與顯微硬度的關系

 

深度	0	1	1.5	2	3	4
顯微硬度	340	320	312	312	312	312

　　銑削表面粗糙度的檢測 使用GJD-5E型表面粗糙度儀對不同銑削速度下的加工表面進行測試，銑削選用A參數時的表面粗糙度為Ra6.4μm，而當銑削選用B參數時，表面粗糙度為Ra0.8μm。顯然，高速比低速銑削下的表面粗糙度值要低很多。

　　3 結束語

　　通過對鈦合金高速銑削表面完整性的研究可得出以下幾點結論：

　　高速銑削加工技術對于進步鈦合金加工效率和改善表面加工質量是非常有效的。

　　采用高速銑削方法，相對常用銑削速度可使加工效率進步5倍，并使表面粗糙度值大幅度降低。

　　采用高速銑削方法加工鈦合金材料，表面形成的殘余壓應力比常用銑削速度的低，且表層下所形成的殘余應力梯度小，應力分布更公道。特別是最大拉應力要小得多，在拉應力區應力變化平緩，因此結構件受力后，應力衰減也會較平穩，構件產生的變形就小，這對零件的承載和使用都是有利的。

　　采用高速銑削加工鈦合金TC4，表層金屬在形成已加工表面的過程中，發生的塑性變形小，晶粒的歪扭程度小，因而位于極薄的表層中冷作硬化強烈，組織的顯微硬度也較高，而沿表面稍向深處延伸，硬化程度會明顯減小。

　　采用高速銑削方法加工鈦合金，可以直接獲得磨削加工方法所能達到的表面質量，即低應力、低表面粗糙度值和較小的冷作硬化層深度。