TC4钛合金高速铣削参数对表面完整性影响研究
tc4-dt钛合金钻削表面完整性研究
伟等分通过试验及
了 TC4 钛 金
削过中切削速度、
等工艺参
力 、钻孔圆度、表面粗糙度等的影响 ，
了
化的钻削 [1°$11]。
等 对 TC4 钛 金 切 削 表 面
残余应力进行了
，分析了
及材料变
形对切削表面残余应力及表面质量的影响&51。杨成云
等 了 TC4 钛 金 削有限 型 ， 了切削
速度 、切削深度等对表面残余应力的影响，通过回归
•专题研究
TC4-D T 钛合金钴削表面完整性研究
2 2 2 项 国 辉 #，欧 阳 金 栋 , 刘 慧 慧 , 王 艳 丽
(1.空军装备部驻南昌地区军事代表室，江 西 南 昌 ，330024;
2.航空工业洪都，江 西 南 昌 ，330024)
摘 要 :TC4-DT钕合金是重要的损伤容限结构材料之一，研究其在钻削工艺中表面完整性对于其损伤容
关 键 词 :TC4-DT钛合金;钻削;表面完整性;残余应力;粗糙度
Study on TC4-DT Titanium Alloy Drilling Surface Integrity
Xiang Guohui1, Ouyang Jindong2, Liu Huihui2, Wang Yanli2 (1. Military representative office of PLA Air Force Armament Dept, in Nanchang District,
削速度、
进给量以及不同钻头顶尖角对于TC4 钛合金钻削后
表面粗糙度及切屑厚度的影响规律[7]。
行了
钛基复合材料高速磨削加工磨削力 分 析 ，验证了
型的 性 气 Chatterjee等通过 及试验方法获
高速切削TC4钛合金表面残余应力的有限元分析
2012年切削先进技术研究会（东北区）学术、技术会议*脚注高速切削TC4钛合金表面残余应力的有限元分析姜增辉1王晓亮2（1 沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159）（2 沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159）关键词：TC4钛合金表面残余应力高速切削有限元分析一、研究背景TC4（Ti6Al4V）钛合金以其优良的组织和力学性能在航空、航天工业得到了广泛应用，由于很多零件为薄壁件，已加工表面残余应力的状态对零件使用的安全性和寿命有着重要影响。
二、实验条件与方法本文利用商业切削仿真软件建立了高速切削TC4钛合金的三维有限元模型（如图1），研究了刀具（YG8）几何角度对已加工表面残余应力分布的影响。
在所建立的的仿真几何模型的工件中某一处沿深度方向发射一个X射线探测柱（如图2所示），提取线柱内节点单元的残余应力数据，便可以计算出不同深度时工件表面残余应力的分布情况。
图1 三维切削几何模型图2 软件提取工件表面残余应力原理图3 残余应力沿着深度方向的分布情况在切削速度ν=140m/min；切削深度a p=1mm；进给量f=0.15mm；刀具前角γ0=5°；刀具后角α0=5°；刃口半径r=0.03mm条件下进行仿真，研究了TC4已加工表面残余应力沿着深度方向的分布情况（如图3所示）。
在切削速度ν=140m/min；切削深度a p=1mm；进给量f =0.15mm的切削条件下，分别改变刀具的前角γ0（γ0分别为0°、5°、8°、10°、15°）；后角α0（α0分别为5°、10、12°、15°、20°）；刃口半径r（r 分别为0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm）研究了残余应力最大值的分布情况（如图4所示）。
三、实验结果及结论1、仿真曲线图：图4 刀具前角、后角、刀尖刃口半径对残余压应力最大值影响曲线2、结论：（1）已加工表面里层产生了残余拉应力，而在其表层产生残余压应力。
TC4钛合金高速切削的表面粗糙度与切削力实验研究的开题报告
TC4钛合金高速切削的表面粗糙度与切削力实验研
究的开题报告
一、选题背景和意义
随着制造业的飞速发展，对于零部件加工的要求也越来越高，特别
是高速铣削领域，锻钢、不锈钢的加工难度越来越大，同时对于加工质
量的要求也越来越高，因此，寻找一种合适的加工材料成为了制造业中
的一项重要研究课题。
而TC4钛合金因其具有良好的耐热、耐腐蚀性能
和高强度等优点，已成为制造业中的重要材料之一。
然而，由于TC4钛合金的高硬度和低导热性，使其加工难度和对刀
具的磨损也相应增加，因此，需要探究其切削力和表面粗糙度的规律，
深入研究TC4钛合金的加工特性，为提高其加工质量和效率提供科学依据。
二、研究内容和方法
本文旨在研究TC4钛合金高速切削时的切削力和表面粗糙度的规律，并对其影响因素进行探究。
具体包括以下几个方面：
（1）收集相关文献，对TC4钛合金的加工特性、高速切削的切削力和表面粗糙度的研究现状进行综述。
（2）设计高速切削实验方案，选取不同的切削速度、进给量和切削深度等参数，测量和分析切削力和表面粗糙度。
（3）将实验数据进行处理和分析，绘制切削力和表面粗糙度随加工参数变化的曲线，并对其规律进行解释。
（4）利用SPSS等统计分析软件进行回归分析，建立TC4钛合金高速切削的切削力和表面粗糙度的数学模型，预测其加工性能。
三、预期结果和应用价值
通过对TC4钛合金高速切削的实验研究和分析，本研究将得到该材料加工特性的详细描述和规律，为制造业提供科学可靠的加工参数和工艺流程，提高加工质量和效率，降低生产成本。
同时，本研究还可拓宽TC4钛合金的应用范围和领域，促进其在制造业中的广泛应用。
钛合金TC4电解加工表面质量的试验研究
1. 齿轮泵 2. 溢流阀 3. 过滤器 4. 进口调压阀 5. 进口压力 表 6. 阳极 (钛合金) 7. 阴极 (不锈钢) 8. 出口压力表 9. 出 口调压阀
1 试验装置
系统如图 1 所示 。阳极为直径 15 mm 的钛合 金 TC4 ,阴极为直径 5 mm (加工面积 20 mm2) 的不 锈钢 。试验前阳极表面先用粒度 1 000 目的金相砂 纸打磨 ,然后用酒精清洗 ,最后用蒸馏水冲洗 。试验 中分别采用直流稳压电源和脉冲电源 。
钛合金的导热性差 ,加工过程中易升温 ,因此电 — 27 —
钛具有重量轻 、强度高及耐腐蚀等优点 ,因此钛 及其合金在航空和宇航工业得到了广泛应用 。然 而 ,钛合金较难加工 ,其切削加工性能介于难切削的 耐高温镍基合金和易加工的铝合金之间 ,由于它在 航空产品中被愈来愈多的采用 ,其加工问题已引起 了广泛的关注 。随着电解加工技术的不断发展 ,在 某些应用场合 ,人们设想通过电解加工来解决钛合 金加工难的问题 。
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《电加工与模具》2007 年第 1 期 设计·研究
在相同的加工条件下 , 设定加工间隙为 0. 2 mm ,加工时间为 60 s ,分别用 4 、6 、8 A 的电流进行 加工 ,结果如图 4 所示 。
定性 ,并有利于进行小间隙加工[4 ] ,本文对脉冲电 流电解加工钛合金做了初步的电解试验研究 。
钛合金TC4低塑性滚压表面完整性的实验研究
第45卷第1期 2017年1月华南理工大学学报（自然科学版）Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)Vol.45No.lJanuary 2017文章编号：l〇〇〇_565X(2017)01-0137-08钛合金TC4低塑性滚压表面完整性的实验研究$杨东1刘战强1贺蒙1庞继有2叶洪涛2(1.山东大学机械工程学院//高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南250061;2.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁沈阳110043)摘要：以钬合金T C4为研究对象，选择表面完整性评价标准数据组（包括表面形貌、表面粗挺度、表面层显微硬度和表面残余应力）作为评价指标，采用单因素试验设计法，利用光学轮廓仪、显微硬度计和盲孔法残余应力测量仪获得低塑性滚压加工表面形貌、微观硬度分布和残余应力状态，对比分析了工艺参数（滚压速度、进给速度、液压油预压力和滚压道次）对低塑性滚压加工表面完整性的影响程度.结果表明：液压油预压力对滚压加工表面形貌、表面粗：糙度及加工表面显微硬度和残余应力的影响程度最大，滚压速度的升高会增大加工表面粗挺度值，增加滚压道次会使加工表层硬化程度和残余压应力幅值变大;在设计实验范围内，钬合金T C4低塑性滚压加工采用高的液压油预压力和多道次加工可获得更优的加工表面完整性.关键词：低塑性滚压;T C4;表面完整性；工艺参数；实验设计中图分类号：T H161 + .1 d o i：10.3969/j.is s n.l000-565X.2017.01.020钛合金TC4 (T i-6A1-4V)具有高比强、耐高温和 耐腐蚀等优异性能，已广泛用于机匣、整体叶盘等航 空发动机关键结构件的加工制造[12].然而，相对于 结构钢、铝合金等航空材料，钛合金TC4材料的疲 劳特性对其加工表面完整性更为敏感[34].为满足复 杂服役环境对航空、航天关键结构件的使用性能、寿 命和可靠性需求，钛合金TC4加工件应具备更高的 表面完整性.低塑性滚压（LPB)作为一种切削加工后续工艺 能有效改善工件加工表面及表面之下材料的冶金物 理和机械性能，提高工件的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳 寿命.LPB加工表面完整性研究可为预防和控制工 件材料提前失效提供理论和技术支持.F u等[5]基于 有限元方法建立了镍钛合金SE508低塑性滚压仿 真模型，仿真结果表明，随着滚压力的提高，表面残余压应力的幅值和影响深度都将增大，影响层深度 可达1.Omm.Mohammadi等建立了钦合金TC4低 塑性滚压有限元仿真模型，结果表明通过降低滚压 球直径或者提高滚压道次均能增大表面残余压应力 的幅值.Prabhu等[7]研究发现，相对于车削加工表 面，4140钢经低塑性滚压后表面粗糙度和表面硬度 可分别提高96%和167%.Prev6y等[8]将LP B技术用于燃气轮机零件加 工表面完整性改善，发现LP B可大幅提高燃气轮机 的疲劳寿命.Jayaraman等[9]在LPB对2219铝合金疲 劳特性影响的研究中发现，疲劳失效起源于工件内 部且发生位置均在残余压应力影响区外，LP B有效 地改善了 2219铝合金的疲劳特性.1045钢经LPB处 理后，工件表面残余压应力达到-300 ~ -600 MPa，相 对于常规车削工艺，表面硬度提高了 25%，表面晶收稿日期：2016-03-02*基金项目：国家自然科学基金资助项目（51425503,51375272);国家科技重大专项（2015ZX04005008,2014ZX04012014);山东省泰山学者建设工程专项资金资助项目（TS20130922)Foundation items：Supported by the National Natural Science Foundation of China(51425503,51375272) and the National Science and Technology Major Project of China(2015ZX04005008,2014ZX04012014)作者筒介：杨东（1985-)，男，博士生，主要从事高速加工表面完整性研究.E-mail:me_yangdong@138华南理工大学学报（自然科学版)第45卷粒细化率达50%，疲劳极限提升了 21. 25%[1^加工对象(材料）和工艺参数的不同，使LPB对 工件表面完整性的改善作用存在差异.目前，采用 LPB技术对鈦合金TC4进行表面完整性改善的实 验研究相对较少.工艺参数对LP B加工鈦合金TC4 表面完整性的影响规律并不明确.文中以钛合金 TC4为研究对象，选择表面完整性评价标准数据组 (包括表面形貌、表面粗糙度、表面层显微硬度和表 面残余应力M)作为评价指标，采用单因素试验设 计法，综合利用光学轮廓仪、显微硬度计和盲孔法残 余应力测量仪等多种实验手段，获得低塑性滚压加 工表面形貌、微观硬度分布和残余应力状态，通过对 比分析工艺参数（包括滚压速度％胃、进给速度/；胃、液压油预压力和滚压道次〃）对低塑性滚压加工 表面完整性的影响程度，以揭示LP B工艺参数对 TC4工件表面完整性的影响规律.1L P B加工表面完整性改善机理图1为低塑性滚压原理示意图.切削表面形貌 粗糙，而滚压表面形貌相对平滑.随着滚珠在进给方 向的移动，切削表面与滚压表面交界处的材料发生 明显塑性流动，表面形貌随之重新分布，切削产生的 表面残留刀痕消失.工件表层金属的塑性流动，填入 到切削表面残留的低凹波谷中，从而降低工件表面 粗糙值.由于多晶体中晶界的变形抗力较大，且每个晶 粒的变形都要受到周围晶粒的牵制，故多晶体的室 温强度总是随着晶粒的细化（即晶界总面积的增 加）而提高.由于被滚压的表层金属塑性变形，使得 表层晶粒细化，从而导致材料表层硬度的提高.表面残余应力主要是由加工过程产生的热应力 和弹塑性变形引起的[12].热应力作用下材料表层金 属的微观组织发生变化，表层收缩，由此产生对基体 的拉应力（或较小压应力）.弹塑性变形作用是LPB 表面残余压应力产生的主要原因[13]，滚珠的挤压作 用使工件表面产生塑性变形，基体产生弹性变形，加 工后材料基体趋于恢复，但受表面层牵制而在表面 层产生残余压应力.2 实验设计2.1实验材料实验材料为同批次生产的钦合金TC4棒料，产 品标准执行《航空用鈦及鈦合金棒材和锻坯规范》(GJB2218 A—2〇〇8).热处理方式为固溶时效，TC4 棒料出炉后于750 °C保温1.5 h，然后空冷至室温. TC4为双相a+y8钛合金，其能谱及微观组织结构见 图2.鈦合金TC4的化学成份T i、A l、V、Fe、C、N、H、0 的含量分别为 89. 128%、6.300%、4.200%、0. 170%、0.010%、0.010%、0.002%、0. 180%，物理性能参数如 下:屈服强度>825 MPa，抗拉强度>895 MPa，硬化 指数为0.34，显微硬度（HVa%)为335. 6.0 2 4 6 8 10能量/keV國2钛合金TC4的能谱及微观组织结构Fig.2 Energy spectrum and microstructure of titanium TC4 2.2 LPB试样制备切削试验在DAEWOO PUMA 200 M A型车削中心上完成，切削方式为干切削.车刀片选用肯纳公司 生产的涂层刀片，型号为SNMG120408RP.钦合金TC4 毛坯直径令31mm，车削工艺参数如下:切削速度为 80m/m in,进给速度为0. 1mm/r，切削深度为0. 1mm.LPB加工装置主要包括液压站、滚压头、油管及 电源附件，其中液压站可提供的液压油预压力范围 为0〜30 MPa,滚压头滚珠可伸出长度范围为2〜3 mm.图3为LPB设备液压原理和滚压头结构示意图.影响低塑性滚压加工表面完整性的工艺参数主 要有滚压速度、进给速度、液压油预压力和滚压道 次.采用单因素试验设计方法，分别用4组实验获得 各工艺参数下TC4加工表面的完整性特征.采用较 少的实验次数（16次）便可获得4个工艺参数对低 塑性滚压加工钛合金TC4表面完整性的影响规律.参考某型号航空发动机低压压气机叶片低塑性滚压第1期杨东等：钛合金T C4低鐘牲滚压表面莞樣性的蠢蠢if究139工艺，设计LPB试验方案如表1所示.液压站预压力调节阀令压力表踏板开关电磁阀)1过滤器(J)温度计油位表减压阀冷却器油箱堵头螺栓「油t陶瓷球图3 LPB设备液压原理和滚压头结构示意图 Fig. 3 Hydraulic principle of LPB equipment and schematic diagram of burnishing head structure表1_LPB加：〇：艺参数Table 1 Process parameters of LPB编号i?bur/( m • min 1 )/bur/(m m-r_1)p/M P a n模式1602800.102123100412050.056800.1021270.1580.20915101811800.1021212241327141 15800.102121632.3表面完整性检测技术和方法LPB是零件加工的最后工艺，零件在LP B力fj工 后，静置2~3周以消除加3：的不稳定表面状态[14]，然后进行加I奉面完整性测试.选择表面形貌、表面 粗糙度、表面层显微硬度和表面残余应力作为LPB 加工表面完整性评价指标.表面形貌采用Veeco公司生产的NT9300光学 轮廓仪进行测盧•设备采用白光干涉方法，可在 0.lm n~ 10mm的垂直扫描范围内快速、准确地测釐 二维和三维表面形貌特征.实验三维形貌取样面积 为623. 6 |x mx467. 4 pm,表面轮廓特征测试方向为 沿工件轴向.采用HVS-1000显微硬度计测量JC件表层显微 硬度分布梯度,试验载荷选择〇.49N…当测量中心点选在距离士件表面20^m以内时，测试点处获得的 压痕图像会发生严重的变形（压痕不规则），导致测 量结果失真因此，测量:选择起点距表面20叫，测点 间距 20 ju ii.加工表面残余应力采用盲孔法测囊.盲孔法操 作简单，测量速度快，是应用最广泛的半破坏性检测 方法.通过在工件表面钻孔（？L深1.8〜2.0mm)使被 测点的应力得到部分或全部释放，并由贴在胃孔周 围的应变片测得释放的应变量，根据弹性力学原理 可计算得出残余应力值.这种方法具有较好的精度，因此已成为应用广泛的残余应力测试方法之一1气实验所用的HK21B麵育孔法残余应力测量仪的应 变测_范_为〇~±3〇〇〇〇叫，应力测童范_为0~ ±6000MPa,分辨率为1.0呷.实验所用应变片型# .为BX120-3CA.根据會孔法残余应力的测试原理和方法，首先 对应变释放系数进行标定，获得未加3C件初始应力 状态夸释放应.变的关系曲线，以标定结果对Kirch 公式(式1)进行修正，得到实验条件下的标定系数然后将已加工件在相同的实验条件下进行残 余应力测试[i6].本实验标定系数4、B的值分别为 -0•5和1.36.〇■=4A± 疋\/(，3_左t)2 + 〇3+左I_2«2)2 (1)式中，〇■为主应力值，心、&和A为实验应变值.3表面完整性数据分析3.1表面形貌与表面粗糙度图4所示为钬合金TC4在精车和LPB(工艺 11，产21MPa)加X后的表面5维t工件轴向*、切向 y、高度z)形貌和轮廓曲线.加I表面轮廓曲线测试 位置在形貌图中虚线A A、B B处.从图4可以看出，车削后表面形貌沿切削方向呈近似周期性凹凸分 布，轮廓波峰与波谷处尖锐过渡.此类工件在弯、扭 或者拉、压载荷作用下，极易在尖锐过渡区产生应力 集中现象，促使裂纹在此处萌生、扩展，并最终导致 工件提前失效.L P B技术对车削表面起到削峰填谷 的作用，经LPB加X的表面残留高度降低为车削表 面的1/10,车削表面走刀痕迹被洧除，表面轮廓曲 线更加平缓.轮靡算术平均偏差坎是表面粗糙度常用表征 参数之 1態真餐反映_检测轮廓_的峰谷幅度变化.圈5给出了 LPB 31 艺参数对表面粗糙度札的影响 精车(：£艺0)后咒4工件&= 65411111,经：〇^加.]亡140华南理工大学学报（自然科学版)第45卷±曾加，取小值出现在工艺l(〃b u i5 60m /min )，在滚压 速度变化范围内，L P B 引起的 '变化量（圪>m a x -A ，_)为39 nm ，圪相对车削的减少范围为22%〜28%.'随着进给速度■勺形变化，最小值出现在工艺6(/1胃，在进给速度变化范围内，滚压引起的圪变化量是53 nm ，滚压圪相对车削的减少范 围是21%〜29%夂随着液压油预压力的增加而减少， 最小值出现在工艺13(j 9 = 27MPa )，在预压力变化范 围内，滚压引起的^变化量是96nm ，滚压相对车 削的减少范围是21%〜36%.圪随着滚压道次的变 化而较小，在滚压道次变化范围内，滚压引起的圪 变化M 是17 nm ，滚压道次对'没有明显的影响.轮廓支承长度率相关参数能反映工件表面的耐磨性[17].足为表面粗糙度核心轮廓深度，影响零 件的性能和寿命;'k 为简约峰高，在零件接触摩擦 运动时，正常工作之前，#将很快被磨损掉，影响 零件的磨合时间;^v k 为简约谷深，有利于在零件接 触摩擦运动时形成润滑油膜，提高零件的耐磨性 和寿命.图6所示为LP B 工艺参数对表面粗糙度足、的影响.精车后TC 4工件表面足=1 740nm ，只沐=638腦，^4 = 781腦，经过！^^处理后1^4工件表面足、、'k 范围分别为1 〇〇〇〜13〇〇nm 、160〜 200nm 和750〜850nm .从图6中可以看出，经过LPB 处理后，各试验组内测得的足、‘、1数值接近，未 见明显的差异数据或数据变化趋势.经过LP B 加工 后的降幅范围是25%〜40%，K pk的降幅范围是 69%〜79%，有利于减少零件在磨合期和初期的磨损i i ; LPB 对'k 的减小作用相对较小，这有助于在零件接触摩擦时形成油膜，保护零件表面.0 12 3工艺编号 (a )滚压速度2 000I 麗 10002 000,C D R k mRp k C D R v k^I^rfinlimi^i M i 〇〇〇5 6 7 8工艺编号 (b )进给速度□凡喊p k m v kaI0 9 10 11 12 130 14 15 16工艺编号 工艺编号(c )液压油预压力 （d )滚压道次圈6 LPB 工艺参数对凡、/?pk、/?vk的影响Fig.6 Effects of LPB process parameters on Rk ,/v k and /\v k300 600 900 1 200工件轴向长度細〇；)表面轮廓(b )精车后表面形貌z/(im(c)LPB 后表面形貌图4钛合金TC4在精车和LPB (工艺11，/> = 21 MPa )加工后的表面H 维形貌及表面轮廓Fig.4 Surface 3D topographies and surface profiles of titaniumTC4 after precision turning and low plasticity burnishing (No. 11，/? = 21 MPa)(a )滚压速度 （b )进给速度工艺编号工艺编号(c )液压油预压力 （d )滚压道次圈5 LPB 工艺参数对圪的影响Fig.5 Effects of LPB process parameters on Ra后降幅最大为A = 419 nm (工艺13= 27 MPa )，相对 精车加工降低了 36%，降幅最小为= 519 nm (工艺8， /；胃=0. SOmmA )，相对精车加工降低了 21%.在实验参 数取值范围内，表面粗糙度随着滚压速度的升高而□喊A0(00(^fl —□ -0(0(oo第1期杨东等：钛合金TC 4低塑性滚压表面完整性的实验研究1410 4080 120 160 200距加工面距离/|L im(c )液压油预压力Fig.7 Effects of LPB process parameters on surface microhardness图8所示为LP B 工艺参数对钛合金TC 4表面 硬化层深度的影响.从图中可以看出，滚压后表面硬 化层深度较车削表面的硬化层深度均有增加.精车 后TC 4工件表面硬化层深度为50 pm ，LP B 加工后TC 4工件表面硬化层深度最大为140 pm ，出现在工艺13(p = 27MPa )和工艺16“ = 3)，相对精车加工 提高了 180%;最小为80 pm ，出现在工艺5 (/b M =显微硬度最高为349,出现在工艺16,相对基体提高 了 11. 9%，显微硬度最低为333,出现在工艺14,相 对基体提筒了 6. 7%.工艺〇综上所述，在试验涉及的L P B 加工工艺参数 中，对TC 4工件表面形貌影响程度最大的是液压油 预压力，而滚压道次的影响程度最小.在实验范围 内，低塑性滚压过程中应选用较大的液压油预压力、 较低的滚压速度、适中的滚压进给速度和单次滚压， 以获得更优的表面形貌和低的表面粗糙度.3.2表面显微硬度图7为LP B 工艺参数对TC 4表面层显微硬度 分布的影响.精车和LP B 均能够引起TC 4工件表面 硬化，在距离工件表面20 p m 处，精车加工后显微硬 度为327,相对基体提高了 4. 8%，LP B 加工后显微 硬度最高为351，出现在工艺13 (p = 27 MPa )，相对 于基体提高了 12. 5%，滚压后显微硬度最低为333, 出现在工艺14(a = 1)，相对基体提高了 6. 7%.如图7 (a )所示，不同滚压速度对TC 4工件表面 层显微硬度分布的影响规律基本相同，在距离工件表面20 p m 处，LPB 加工后显微硬度最高为347，出 现在工艺1= 60m /m in )，相对基体提高了11. 2%，显微硬度最低为341，出现在工艺2(〃^ = 8〇111/111丨11)，相对基体提高了9.3%.5更度变化曲线没 有表现出显微硬度随着滚压速度变化的显著变化趋 势，不同滚压速度下硬度分布曲线的分散性大，主要 是由于随着滚压速度的提高，加工过程中工件振动 加剧，导致高速滚压加工时工件表面层硬化不均匀.如图7(b )所示，进给速度对TC 4滚压加工表面 层显微硬度分布的影响与滚压速度类似，但其曲线更 集中，这是由于进给速度试验组在试验过程中振动不 明显，且表面无明显振纹产生，产生的表面硬化层趋 于均匀.在距离工件表面20 p m 处，LPB 加工后显微 5更度最高为345，出现在工艺6(/b w = 0. 10mm /r )，相 对基体提高了 10. 6%，显微硬度最低为342,出现在工 艺= l 5mm/r)，相对基体提高了 9. 6%.如图7(c )所示，液压油预压力的提升会增加钛合金TC 4工件表面层的显微硬度，而且在距离工件表 面60p m 内时，表面层显微硬度随着液压油预压力的 增加而增加.在距离工件表面20 p m 处，LPB 加工后 显微硬度最高为351，出现在工艺13 〇9 = 27 MPa )，相 对基体提高了 12. 5%，显微硬度最低为336,出现在工 艺9(p = 15MPa )，相对基体提高了 7. 4%.如图7 (d )所示，增加滚压道次能够增加TC 4工 件表面层的显微硬度，图中3种工艺产生的显微硬 度曲线分布规律明晰，随着滚压道次的增加，显微硬 度增加明显.在距离工件表面20 p m 处，LP B加工后142华南理工大学学报（自然科学版)第45卷£礙-350-700L -636500L-429(c )液压油预压力 （d )滚压道次图9 LPB 工艺参数对表面残余应力的影响Fig. 9 Effects of LPB process parameters on residual stress当进给速度小于〇. 1 m m /i •时，表面残余应力随 进给速度的提高而增大;当进给速度大于0.1 mm/r 时，表面残余应力随进给速度的提高而减小;当进给 速度为0.1 m m /i •时，表面残余压应力数值最大（为 -357MPa ).当液压油预压力和滚压道次增加时，表 面残余应力随之明显降低，并且液压油预压力变化 引起的表面残余应力梯度变化高于滚压道次变化引 起的残余应力变化.在LPB 实验参数范围内，对TC 4表面残余应力 影响最大的工艺参数是液压油预压力，其次是滚压 道次，再次是进给速度和滚压速度.在实际加工中， 采用较高的液压油预压力和多道次滚压能够有效地 提高TC 4零件的表面残余压应力，同时采用适中的 进给速度和滚压速度以保证滚压效率.综上所述，液压油预压力是影响表面完整性指 标的最重要参数，这主要是随着液压油预压力的增 大，工件表层材料的塑性变形影响深度更深，致使工 件表面残留的切削刀痕减少，表层晶粒应变细化增 大，最终导致表面粗糙度降低、表层硬化现象变大和 残余压应力的增大.随着滚压速度的提高，单位时间 内滚压头与工件接触距离变短，不利于表面形貌的 改善.滚压道次的增多，使工件表面应变量增加，促 使表层硬化程度和残余压应力幅值变大.4 结论以钛合金TC 4为研究对象，选择表面完整性评价标准数据组(包括表面形貌、表面粗糙度、表面层显微硬度和表面残余应力）作为评价指标，采用单 因素试验设计法对LPB 加工工件进行表面完整性工艺编号0 9 10 11 12 13工艺编号14 15 160. 05m m /r )和工艺14(〃 = 1)，相对精车加工提高了 60%.在滚压速度试验组中，滚压速度变化引起的 TC 4工件表面硬化层深度维持在100 jjim 左右.在进 给速度试验组中，当进给速度超过〇. 〇5 m m /r 后，进 给速度变化引起的表面硬化层深度维持在1〇〇 fim 左右.在液压油预压力试验组中，当P <27 MPa 时，表面 硬化层深度保持在80〜100 pm 之间，当p = 27 MPa 时，表面硬化层深度增加到140 pm .在滚压道次试验 组中，表面硬化层厚度随着滚压道次的增加而明显 增加.工艺编号12 3 4工艺编号0 5 6 7 80 9 10 11 12 130 14 15 16工艺编号工艺编号(c )液压油预压力 （d )滚压道次图8LPB 工艺参数对表面硬化层深度的影响Fig.8 Effects of LPB process parameters on the depth of hardened layer滚压速度和进给速度对TC 4工件表面硬化层 深度变化的影响不大，当液压油预压力P >24 MPa 和 滚压道次〃 =3时，表面硬化层深度的变化明显，低 塑性加工引起的钛合金TC 4工件的表面硬化层深 度平均为80〜lOOpm .3.3表面残余应力图9所示为LPB 工艺参数对表面残余应力的 影响.可以看出，精车和LPB 加工后TC 4工件表面 残余应力均表现为负值，即残余压应力，滚压后表面 残余压应力幅值较车削表面均有增加.精车表面残 余应力为-151 MPa ,LPB 加工后表面残余压应力最 小幅值出现在工艺14“ = 1)，应力值为_246MPa ， 相对精车加工表面增加了 63%; LPB 加工后表面残 余压应力最大幅值出现在工艺13 (p = 27 MPa )，应 力值为-636MPa ，相对精车加工表面增加了 321%. 滚压速度变化对TC 4工件表面残余应力的影响较 小，应力大小在-320〜-380 MPa 之间.50ooo o -2-498L00「8050—o o Co5100098590000oOCo 51000第1期杨东等：钛合金TC4低塑性滚压表面完整性的实验研究143分析，结果表明：(1)LPB加工可消除钛合金TC4车削加工表面残留刀痕，降低表面粗糙度.在实验参数范围内，LPB加工后TC4表面粗糖度圪为420 ~ 520mn，R z为2.3~3.2^Lm，Rk;^j 1000~1300nm，Rp k为 130~200nm,而Rv k相对于未加工表面变化不大.在试验涉及的LPB加工工艺参数中，对TC4工件表面形貌影响程度最大的是液压油预压力，而滚压道次的影响程度最小.(2) LPB加工在TC4工件表面引人了深度为 100 pm左右的表面硬化层，相对精车加工提高了一倍，表面显微硬度最大超过360，相对车削加工提高了约16%，表面显微硬度和加工硬化层厚度随着液压油预压力的增大或滚压道次的增加呈增大趋势，其他工艺参数对表面层显微硬度的影响较小.(3) LPB加工在TC4工件表面引人较高的残余压应力.表面残余压应力最高可达-636 MPa，相对精车加工表面增加了 321%，表面残余压应力随着液压油预压力或滚压道次的增加而增加，其他工艺参数对表面残余应力的影响较小.(4) LPB工艺参数中对滚压加工表面形貌、表面粗糖度影响程度较大的是液压油预压力和滚压速度，对加工表面显微硬度和残余应力影响程度较大的是液压油预压力与滚压道次.在实际加工中，在保证加工效率和经济性的情况下，可通过提高液压油预压力来改善TC4零件的表面完整性，滚压道次控制在2次以内，采用适中的滚压速度和进给速度.参考文献：[1 ] LEYENS C, PETERS M. Titanium and titanium alloys[M] .Weinheim： Wiley-VCH,2003.[2]王聪梅.航空发动机典型零件机械加工[M].北京:航空工业出版社，2014.[3]陶春虎，刘庆，曹春晓，等.航空用钛合金的失效及其预防[M].北京:国防工业出版社，2002.[4]关玉璞，陈伟，高德平.航空发动机叶片外物损伤研究现状[J].航空学报，2007,28(4) :851-857.GUAN Yu-pu,CHEN Wei,GAO De-ping.Present status ofinvestigation of foreign object damage to blade in aeroengine [J ]. Acta Aeronautica et Astronautical Sinica，2007,28(4) ：851-857.[5] FU C H,GU0 Y B, MCKINNEY J,et al. Process mechanics of low plasticity burnishing of nitinol alloy [ J] .Journal of Materials Engineering and Performance, 2012,21(12) ：2607-2617.[6] MOHAMMADI F，SEDAGHATI R，BONAKDAR A.Finiteelement analysis and design optimization of low plasticity burnishing process [ J ]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014,70 ( 5/6/7/8 )：1337-1354.[7] PRABHU P R,KULKARNI S M,SHARMA S S.Influenceof deep cold rolling and low plasticity burnishing on surface hardness and surface roughness of AISI 4140 steel[J]. World Academy of Science, Engineering and Technology ,2010,72 ： 619-624.[8] PREVEY P S,RAVINDRANATH R A,SHEPARD M,etal.Case studies of fatigue life improvement using low plasticity burnishing in gas turbine engine applications [C~\ //Proceedings of the 2003 International Joint Power Generation Conference. Atlanta ： American Society of MechanicalEngineers,2003 ：657-665.[9] JAYARAMAN N, PREVEY P S, MAHONEY M.Fatiguelife improvement of an aluminum alloy FSW with low plasticity burnishing [ C ] // Proceedings of the 132nd TMSAnnual Meeting. San Diego ： Lambda Technologies, 2003 ：1-10.[10] AVILES R,ALBIZURI J, RODRfGUEZ A, et al. Influence of low-plasticity ball burnishing on the high-cyclefatigue strength of medium carbon AISI 1045 steel [ J].International Journal of Fatigue ,2013,55 ： 230-244. [11] FIELD M, KAHLES J F. Review of surface integrity ofmachined components [ J] .Annals of the CIRP,1971,20(2) ：153-163.[12] WITHERS P J,BHADESHIA H.Residual stress Part 2：nature and origins [ J ]. Materials Science and Technology,2001,17(4) ：366-375.[13] BALLAND P,TAB0UR0T L, DEGRE F, et al. Mechanics of the burnishing process [ J ]. Precision Enginee-ring,2013,37(1) ：129-134.[14] PREVEY P S, JAYARAMAN N, RAVINDRANATH RA. Use of residual compression in design to improve damage tolerance in Ti-6AI-4V aero engine blade dovetails[R ]. Cincinnati ： Lambda Research, 2005.[15]王庆明，孙渊.残余应力测试技术的进展与动向[J].机电工程，2011,28(1) :11-15.WANG Qing-ming, SUN Yuan. Research development onthe test methods of residual stress [ J ]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering,2011,28( 1) ：11-15. [16]王海斗，朱丽娜，邢志国.表面残余应力测试技术[M].北京:机械工业出版社，2013.[17]李伯奎,左敦稳，刘远伟.轮廓支承长度率曲线的应用研究[J].润滑与密封,2006(1) :114-116.LI Bo-kui,ZUO Dun-wen,LIU Yuan-wei.Study on application of the material ratio curve [ J ]. Lubrication Engineering, 2006 ( 1) ：114-116.144华南理工大学学报（自然科学版)第45卷Experimental Investigation into Surface Integrity ofTitanium TC4 after Low-Plasticity BurnishingYANG Dong1LIU Zhan-qiang1HE Meng1PANG Ji-you2YE Hong-tao1(1. School of Mechanical Engineering//Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture ofthe Ministry of Education, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China；2. AEEC Shenyang Liming Aero-Engine Co., Ltd., Shenyang 110043, Liaoning, China)Abstract ：T hrough single fa c to r test m e th o d, the surface to p o g ra p h y, m icro-hardness d is trib u tio n and residu al stress o f tita n iu m T C4 a fte r a lo w-p la s tic ity b u rn is h in g are obtained by using an o p tic a l p ro file r, a m icro-hardnesstester and a re sid u a l stress test in s tru m e n t, and the surface in te g rity o f the burnished tita n iu m T C4 is evaluated by using the standard data o f the top ogra ph y, roughness, m icro-hardness and re sid u a l stress o f surface. T h e n, the effects o f lo w-p la s tic ity b u rn is h in g param eters (in c lu d in g b u rn is h in g spe ed, feed spe ed, h y d ra u lic o il pressure and b u rn is h in g passes) on the surface in te g rity are analyzed com paratively. The results show that (1)the h y d ra u lic o il pressure has the m ost s ig n ifica n t effect on the to p o g ra p h y, roughness, m icro-hardness and re sid u a l stress o f the b u rnished surface; (2)the surface roughness increases w ith the b u rn is h in g spe e d, and both the m icro-hardness and the re sid u a l stress increase w ith the b u rn is h in g passes; and ( 3 ) h ig h e r h y d ra u lic o il pressure and m ore b u rn is h in g passes h e lp achieve a h ig h e r surface in te g rity in the lo w-p la s tic ity b u rn is h in g o f tita n iu m T C4.Key words：lo w p la s tic ity b u rn is h in g；T C4；surface in te g rity; process pa ra m e te r；exp erim e ntal design (上接第136页）Investigation into Vibration of Metal Rubber Compound GearPair Based on Deformation Coordination DesignWANG Jia-xu1-2HUANG Wei1XU Tao1XIAO Ke1LI Jun-yang1(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044，China；2. School of Aeronautics and Astronautics, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China) Abstract ：In o rd er to solve the re tu rn diffe re n ce pro blem o f tra d itio n a l gear p a irs, the factors in flu e n c in g the errors in the processes o f d e sig n, m anufacture and in s ta lla tio n are q u a n tita tiv e ly ca lcu la te d. T h e n, by ta k in g in to account the in flu e n ce s o f tooth thickness d e v ia tio n, ra d ia l p u ls a tio n, cen ter distance de via tion and tem perature on gear d e fo rm a tio n, a design m ethod o f the m etal ru b b e r com pound gear p a ir w ith autom atic deform ation com pensation is proposed. M ore ove r, on the basis o f A B A Q U S fin ite elem ent a n a lysis, the in flue nces o f h igh and low tem peratures on the gear deform ation are c a lc u la te d, and the gear deform ations at the h igh and lo w tem peratures as w e ll as the p re lo ading o f the oretica l cen ter distance are obtained. F in a lly, the v ib ra tio n responses o f the m etal and com pound gear pa irs u n d e r d iffe re n t p re lo ading are tested. The results show that (1)w ith the increase o f the p re lo a d in g, the v ib ra tio n acceleration decreases firs t and then in crea ses; (2)the p re lo ading has a great in flu e n c e on the m etal gear p a ir b u t a little in flu e n c e on the com pound gear p a ir, and w ith the increase o f the p re lo a d in g, the im provem ent effect o f the com pound gear p a ir tends to becom e m ore obvious than that o f the m etal gear p a ir；and (3)the o p tim al p re lo ading obtained by tests accords w e ll w ith the calcu la te d re s u lt, w h ic h ve rifie s the correctness o f sim u latio nanalysis.Key words ：m etal ru b b e r com pound gear p a ir；deform ation coo rdinatio n ；p re lo ading ；v ib ra tio n。
TC4钛合金
TC4钛合⾦船、汽车，医药等部门都得到成功的应⽤。
●TC4钛合⾦⼒学性能：抗拉强度σb/MPa≥895,规定残余伸长应⼒σr0.2/MPa≥825,伸长率δ5(%)≥10,断⾯收缩率ψ(%)≥25●TC4钛合⾦密度:4.5（g/cm3）⼯作温度-100～550（℃）●TC4钛合⾦化学成分:TC4含钛(Ti) 余量,铁(Fe)≤0.30,碳(C)≤0.10,氮(N)≤0.05,氢(H)≤0.015,氧(O)≤0.20,铝(Al)5.5～6.8,钒(V)3.5～4.5钛合⾦TC4⾼速铣削表⾯完整性的研究发表于: 2008-3-14 0:01:13来源:深圳宝玛作者:数控机床点击:载⼊中...次由于钛合⾦具有⽐强度⾼、热强度好、耐腐蚀、资源丰富等⼀系列优点，因此在航空、航天等⼯业部门中的应⽤越来越⼴泛，⽤于制作飞机和发动机中的主要构件。
在发动机⽅⾯，⽤于制造压⽓机盘、压⽓机叶⽚、机匣和燃烧室外壳等重要零件；在飞⾏器结构中⽤于制造翼梁、隔框和接头等重要构件。
特别在钛合⾦整体框架和⼤型整体壁板制造过程中，加⼯量相当⼤，⽽且许多薄壁部位必须克服结构上的加⼯变形，亟需解决钛合⾦整体框架和⼤型整体壁板的加⼯效率和加⼯质量问题。
实践证明，⾼速铣切是⽬前能够⾼效可靠地解决这⼀问题的最经济的加⼯⼿段。
因此，有必要研究与钛合⾦⾼速铣削表⾯完整性相关的基础理论。
1 材料特性钛合⾦TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(a+b)型钛合⾦，具有良好的综合⼒学机械性能。
⽐强度⼤。
TC4的强度sb=1,012MPa，密度g=4.4×103，⽐强度sb/g=23.5，⽽合⾦钢的⽐强度sb/g⼩于18。
钛合⾦热导率低。
钛合⾦的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。
钛合⾦的弹性模量较低。
TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，故钛合⾦加⼯时容易产⽣变形。
2 ⾼速铣削的表⾯完整性试验条件试件尺⼨：420×200×24mm。
钛合金TC4铣削试验研究
钛合金TC4铣削试验研究【摘要】：本文通过对TC4钛合金锻件进行单因素铣削实验，得出其切屑形态随着铣削深度a的增大将由紧密螺旋状逐渐变为松散状的结论。
通过铣削率模型，找到了在特定铣削速度和进给速度下，铣削钛合金的最佳深度范围，对于钛合金铣削加工具有生产指导意义。
【关键词】：钛合金；切屑形态；铣削深度；铣削体积；铣削时间；铣削率引言钛合金具有质量轻、强度高、高温性能好、耐腐蚀等许多优点.在航空航天、船舶和化工等工业部门得到广泛的应用[1]。
但由于钛合金导热系数低、摩擦因数大、弹性模量小、化学活性大、切屑与前刀面的接触面积小，使得钛合金切削加工性较差[2]。
目前TC4应用比较广泛，是以α相为主的双相合金，β相一般少于30%，其综合性能好，组织稳定，有良好的韧性、塑性和高温变形性能。
但是，在高速条件的切削力、切削温度以及刀具磨损机理等方面还有很多现象解释不清，对工件的表面质量的影响方面等问题，针对这些问题国内外学者做过很多研究。
Narutaki对钛合金TC4的切削力和切削温度进行研究得到：切削钛合金时刀具磨损并非切削力所致，而切削温度是致使钛合金难以继续切削的主要原因。
F. Klocke，N等人在分析和实验的基础上，对涂层硬质合金刀具铣削TC4的效率进行了评价，用有限元的方法对切削时的应力-应变曲线进行分析。
1试验材料及过程1.1.试验材料试验材料为TC4钛合金锻件，尺寸为290mm×192 mm×65mm，其化学成分见表1。
表1 TC4钛合金的化学成分%合金牌号成分抗拉强度σb/MPa伸长率δ/% 冲击韧性ak/104J·m-2 硬度HB 弹性模量E/106MPa 导热系/W·（m·K）-1TC4 TC4 903 10 39.24 320-360 0.111 5.441.2.试验条件与过程为研究铣削时钛合金的切屑形态与铣削深度的关系，并确定在特定铣削速度和进给速度条件下的最佳铣削深度范围，应用单因素试验方法，设计了采用25HSS的莫氏锥柄立铣刀在X5032立式升降台铣床上对试件连续铣出台阶面的实验。
AlTiN涂层刀具精铣TC4钛合金工艺参数的影响与优化
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:ADOI：10.19287/ki.1005-2402.2021.01.012Influence and optimization of technological parameters in highspeed milling TC4titanium alloy with AITiN coated cutterWANG 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 alloyspecimen were measured by using high precision digital testing equipment.T he overall machining qualityand surface morphology of TC4titanium alloy with AITiN coated tool under difierent process parameterswere 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 workpiece has good machining quality and surface morphology,long tool life,flatness of0.39|xm,parallelismof0.33|xm,surface roughness of0.70|xm,surface residual stress of-175MPa,and surface microhardness of269HV02,thus realizing high-quality and high-efficiency finishing of TC4titanium alloy.Keywords:TC4titanium alloy；AITiN tool；machining accuracy；surface topography；residual stress；microhardnessTC4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。