TC4钛合金锻件初始残余应力与铣削残余应力耦合机制：退火预处理对粗精加工表面应力状态及累积效应的影响

引言

钛合金构件在铣削过程中会产生较大的残余应力，残余应力的分布受多因素作用，尤其是构件的初始状态和铣削参数会对铣削残余应力的大小产生重要影响。初始残余应力的存在不仅影响材料流动应力响应，从而造成铣削过程中应力的响应差异，而且对材料铣削加工后卸载后的残余应力分布产生影响[1]。而铣削过程中粗加工与精加工相比，每齿切削厚度与进给速度的不同往往会导致显著的热应力[2];同时，精铣加工的多道次累积也会对残余应力造成影响[3]。因此，探究初始残余应力和铣削参数对铣削残余应力的影响，揭示不同微观结构演变规律下的残余应力变化，分析不同工艺状态下的主导作用是很有必要的。

初始残余应力不仅会影响材料性能，也会对铣削后残余应力的分布产生重要影响。罗军等[4]研究发现初始残余拉应力会使钛合金疲劳寿命大幅缩短，初始残余压应力会使疲劳寿命增加。张占昌等[5]研究发现随着切削加工的进行，零件内应力失去原有的平衡，零件毛坯内的残余应力由于切削而发生变化，一部分残余应力随着切屑和切削热被带走，另一部分残余应力由于切削热和切削力的影响而增大，残余应力的分布呈现不均匀性。MAY等[6]采用有限元方法，结合压杆试验与正交切削试验，探究了初始应力对切削过程的影响，揭示了初始拉应力和压应力对切削应力分布、切削力和刀尖温度的不同影响，进一步强调了初始应力大小和分布范围在切削过程中的重要性。

薄壁构件的几何精度更容易受到初始残余应力与铣削后残余应力的叠加作用的影响。王民等[7]研究了初始残余应力和切削过程产生的残余应力对薄壁件变形的影响，通过对比含有和不含初始残余应力的切削模型，发现两者均对薄壁件变形有显著影响，且不含初始残余应力的工件变形量相对较小。王亚楠等[8]则针对铝合金T形构件，探究了坯料初始残余应力对加工变形的影响，通过建立仿真模型发现初始残余应力主要影响工件底部的曲翘变形，且对壁厚较薄的构件影响尤为显著。同样地，GAO H等[9]探究了初始残余应力对薄壁件铣削加工的影响，基于有限元模拟和理论计算的等效弯曲刚度，提出了半解析加工变形预测模型，并通过典型案例的加工变形验证了模型的有效性，基于该模型研究发现，当残余应力沿厚度方向中性面对称分布时，坯料表面下一定厚度内的残余应力是决定最终加工变形的主要因素。ZHANG H等[10]在分析切削力与加工残余应力对变形的影响中耦合了初始残余应力，发现切削后TC4叶片整体的变形减小，为利用初始残余应力减小薄壁叶片加工变形提供了新的方法。

在切削深度等参数方面的研究中，周惠敏等[11]采用考虑螺旋角的二维连续铣削仿真模型分析铣削工艺对钛合金轮盘表面残余应力的影响，发现铣削工艺引入表面残余应力为压应力，影响残余应力深度为0~100μm，并且随着深度的增加，残余压应力逐渐减小。LI B Z等[12]研究了薄壁件粗加工和精加工过程中不同切削深度下残余应力和变形的分布情况，发现随着切削深度的减小，加工表面的残余应力及其影响深度也相应减小;同时发现在切削过程中刀具路径中间会形成较小的残余压应力，沿刀具边缘会产生较大的残余压应力。同样地，LIU Y等[13]探究了连续切削对304不锈钢加工层残余应力的影响，发现第2次切削可以将第1次切削中加工表面上的拉伸残余应力转化为压缩残余应力。JIANG X等[14]提出了一个数学模型以量化不同参数组合下机械应力与热应力的叠加关系，认为在铣削深度恒定的情况下，力热比更高的组合参数有利于在表面形成残余压应力。靳淇超等[15]通过正交试验研究了铣削参数对加工残余应力的影响，发现当进给量增加和铣削速度减小时，表面残余压应力会逐渐减小;而当铣削宽度和铣削深度增加，表面残余压应力无明显变化。

当前，针对钛合金铣削后残余应力的预测分析较多，但结合初始残余应力进行残余应力演化机制的研究相对匮乏，而且缺乏结合微观结构演变规律作为基础支撑。因此，本文针对TC4用简化锻坯，研究了钛合金构件在锻造中产生的残余应力对铣削过程新产生的残余应力的影响，同时探究了铣削参数对铣削残余应力的影响。对退火前后的锻件分别进行粗加工和精加工两组不同切削参数的切削试验，加工后取点测量残余应力，观察试样的微观组织，分析初始残余应力和铣削参数对铣削残余应力的影响，揭示了铣削残余应力的演化机制。

1、锻件热处理试验

1.1 试验操作

为了验证锻件初始残余应力对铣削残余应力的影响，试验中需要做两组对照试验，一组试样保留初始残余应力直接进行铣削加工，一组试样通过热处理去除锻件的残余应力之后再进行铣削加工。锻件的初始残余应力表现为表面呈现拉应力状态，内部呈现压应力状态，从表面向内部残余应力逐渐趋于压缩性。根据以往的研究，对钛合金锻件加热到一定的温度，并保温一定的时间，锻件内部的残余应力会逐渐消除。史建军等[16]研究发现:当加热温度低于650℃时可以去除85%以上的残余应力，试样的力学性能与退火前相近，且保温2h后残余应力无明显下降趋势。因此本试验中热处理参数为:加热1h到600℃，然后保温2h并随炉冷却。试验通过真空加热炉完成。

1.2 残余应力分析

热处理完成后，将试样取出，选择点位测量残余应力，并选取外侧点位进行初始残余应力对比。

锻件退火后的残余应力处于较低水平，与退火前相比，90%以上的残余应力被去除，充分证明了锻件退火对释放残余应力的作用。由于内侧在退火过程中保持温度变化一致，侧壁较厚，内部夹角足够大，因此内外侧差异不足以作为退火过程中限制残余应力释放的约束条件，可以认为退火后的锻件残留的初始残余应力对铣削过程几乎不产生影响。

2、锻件铣削试验

2.1 试验过程

为了探究初始残余应力的影响，将铣削试验分为两组，一组对原始锻件进行铣削加工，一组对去应力退火后的锻件进行铣削加工。同时为了分析铣削参数对残余应力的影响，试验采用粗加工和精加工两组加工参数，具体工艺参数选择如表1所示。两组加工方式铣削速度和铣削总深度一致，只改变刀具的进给量和每道次铣削深度。铣削刀具采用直径为Φ10mm的端铣刀，刀具母材为钨钢，在表面有硬质涂层。钛合金属于难加工材料，在铣削过程中产生大量的热量，需要采用铣削液对刀具冷却降温。较大的进给量和铣削深度容易使刀具产生严重的磨损,为延长刀具使用寿命,粗加工与精加工在钛合金铣削过程中的区分主要依靠表面粗糙度，对应在进给量上的差异大致可以分为低于275mm·min-1为精加工[17]。铣削方案如表1:粗加工中，铣削总深度为1mm，每道次铣削深度为0.2mm，通过5道次完成加工;在精加工中，铣削总深度为1mm，每道次铣削深度为0.1mm，通过10道次完成加工。

表1 铣削加工基本参数

铣削加工表面为外表面宽面和窄面，以及内表面宽面。但由于锻件的形状并不是规则的，因此需要考虑试样的装夹问题，铣削时对试样外表面采用夹具夹持，对试样内表面采用AB胶进行粘接。针对锻件的V型结构，中间夹角为105°，在外侧装夹时需要对装有夹具的工作台进行倾斜，然后通过定位刀具来对试样进行定位，保证铣削在同一平面上进行，避免铣削深度方向存在偏差。另一侧铣削前需重新装夹定位。外侧铣削并测量残余应力后，再通过粘接对内侧加工。大面积接触的AB胶可以有效抑制铣削过程中工件与夹具之间的平面内剪切，并显著降低高频振动，确保了整体结构的高刚度、高阻尼和低变形。

2.2 残余应力分析

定义沿锻件长度方向为X方向，沿锻件宽度方向为Y方向，对锻件外侧X方向和Y方向的残余应力进行测量，锻件内侧的加工表面因锻件形状导致X射线衍射(XRD)检测时设备的旋转角度受限，因此内侧仅测量X方向残余应力。分别取外表面的两侧和内表面的一侧不同位置的点测量残余应力值，测量点位于切削路径上的中点和1/4位置。

热处理去除初始残余应力的试样经粗加工铣削后的残余应力如图5所示，粗加工后不同位置沿X方向残余应力均为压应力，绝对值最大的为(261.3±18.9)MPa，绝对值最小的为(188.5±9.8)MPa。不同位置沿Y方向残余应力均为拉应力，最大值为(113.4±25.6)MPa，最小值为(83.9±34.1)MPa。

粗加工完成后进行1mm深度的精加工。铣削完成后测量外侧宽面的表面残余应力，如图6所示。结果表明精加工后不同位置沿X方向和Y方向的残余应力均为压应力，其中沿X方向最大值为(-533±18.8)MPa，最小值为(-507.1±27.5)MPa，沿Y方向最大值为(-314.2±24.6)MPa，最小值为(-230.2±27.6)MPa。

分析粗、精加工后的残余应力分布和数值偏差发现，退火后的初始状态比较均匀，残余应力值存在偏差是因为去应力退火并不能完全去除锻件的残余应力，不同位置残留的残余应力数值存在差异，导致铣削后不同位置的残余应力存在一定的偏差。

对含有初始残余应力的试样粗加工铣削后的残余应力进行了测量分析，如图7所示。结果表明粗加工后不同位置沿X方向残余应力和沿Y方向残余应力均为残余压应力，其中沿X方向残余应力最大值为(-546.2±29)MPa，最小值为(-286.1±22.3)MPa;沿Y方向残余应力最大值为(-268.0±加工后不同位置沿X方向残余应力和沿Y方向残余。

粗加工完成后进行1mm深度的精加工，之后测量表面残余应力，如图8所示。结果表明精加工后不同位置沿X方向残余应力和沿Y方向残余应力均为残余压应力，其中沿X方向残余应力最大值为(-485.2±25.9)MPa，最小值为(-395.2±18.7)MPa;沿Y方向残余应力最大值为(-308.3±24.4)MPa，最小值为(-234.2±33.5)MPa。

对比退火前后的锻件切削后的残余应力发现:含有初始残余应力使锻件粗切削后的残余应力更具压缩性，且压应力数值更大;初始残余应力对精加工后的残余应力影响不大。锻件的初始残余应力表现为表面呈现拉应力状态，内部呈现压应力状态，从表面向内部残余应力逐渐趋于压缩性。粗加工去除了表面的残余拉应力层，相对于退火锻件，未退火锻件中的压应力使粗加工后的残余应力依然保持较大的压缩性。随着切削深度的增加，初始残余应力对切削过程的影响逐渐下降。精加工每道次的切削深度和进给量的降低导致切削力下降。

已有研究表明，残余应力随切削深度和进给量的减小而减小。但以往研究通常只对试样进行单道次切削，没有考虑残余应力的累积效应。切削时每道次加工产生的残余应力均有一定的影响深度，因此，随总切削深度的增加，未被去除区域的残余应力受累积效应影响会逐渐增加，导致精加工后的残余应力大于粗加工后的残余应力。累积效应主要影响X方向残余应力的分布，因为X方向为切削加工路径方向。LI Y等[18]进行了高速铣削加工表面残余应力累积效应的试验，累积效应影响了未铣削层材料的流动应力水平，并进一步使其塑性变形增加，从而导致不同累积道次的应力分布响应存在差异，最终影响残余应力的大小和分布。因此，在精加工中，残余应力的大小主要受切削道次的累积效应影响，退火前后的锻件精加工后的残余应力大小比较接近，且具有较强的压缩性。

3、微观组织分析

对退火前后的锻件微观组织进行对比分析，如图9所示。发现锻造后部分区域的晶粒受变形影响，晶粒扭曲且存在不规则形状。在粗大晶粒的晶界发现来不及长大的再结晶晶粒。通过去应力退火处理，消除了锻件内部绝大部分残余应力，扭曲的晶粒得到恢复，再结晶晶粒略有长大，锻件微观组织尺寸偏差降低。

极图展示了晶体取向分布。当试样内部存在残余应力时，会影响晶体的取向，通过分析材料中的织构变化可以间接反映残余应力的状态。对锻件退火前后α相极图进行分析，如图10所示，发现退火前试样在<0001>方向上有较强的取向，退火后该取向强度减弱，且由极图变化推测再结晶晶粒的<0001>平行于轧向。对锻件退火前后β相极图进行分析，如图11所示，发现退火前后试样在<100>方向上和<111>方向上有较强的取向，退火后晶体取向多样化，且织构强度明显降低。两相退火后晶体取向强度最大值均小于退火前;这表明通过退火处理，晶体取向多样化，退火过程中的再结晶和晶粒长大有助于释放和重新分布内部应力，从而降低残余应力。

铣削区域的微观组织表征如图12所示，与图9相比发现，未退火的锻件铣削后的晶粒基本保留了锻造后的状态，受残余应力影响，晶粒大小分布不均，存在许多破碎的细小晶粒;退火后的锻件铣削后的晶粒相对均匀，细小的晶粒有所长大。在粗加工过程中，铣削深度和进给量较大，材料表面和内部受到较大的铣削力和热影响，晶粒分布不均匀;在精加工过程中，铣削深度和进给量较小，铣削力和热影响也相应减小，加工后的晶粒尺寸更小且分布更加均匀。

试样粗加工和精加工后α相的几何必须位错密度(Geometrically Necessary Dislocations,GNDs)如图13所示。GNDs的变化可以反映加工过程中材料内部塑性应变积累的情况，而塑性应变梯度可以间接表明材料中残余应力的大小。大量的GNDs网络支撑的长程内应力场在宏观尺度无法松弛，即残余应力。粗加工后的试样GNDs平均值为6.08×10¹⁴m⁻²，精加工后的试样GNDs平均值为9.04×10¹⁴m⁻²，相对粗加工提升48.7%。粗加工铣削速度快，加工时间相对较短，材料内部的应变积累程度不高;而精加工时由于铣削道次增加，加工时间长，初始残余应力在多道次累积铣削过程中逐渐减弱，使得最终已加工表面的残余应力分布主要受到累积作用的影响。材料在多道次铣削过程中会进行多次热力耦合应力加载，对应的未铣削层会产生一定的位错硬化与晶粒细化，使其本构状态发生变化，从而导致不同道次之间的应力集中分布状态存在差异，进一步加剧材料已加工表面与亚表层的塑性应变梯度，使内部的几何必须位错积累，平均GNDs升高。

4、结论

(1)未退火锻件粗加工铣削后残余应力更具压缩性，且数值更大;未退火的锻件精加工铣削后的残余应力与退火后的锻件基本接近，表现为较大的残余压应力。

(2)初始残余应力对铣削过程的影响主要集中在材料表层，随着铣削深度的增加，初始残余应力的影响逐渐降低，铣削道次的累积效应逐渐增加;粗加工残余应力主要受初始残余应力影响，而精加工残余应力主要受累积效应影响。

(3)分析残余应力测量点的微观组织，发现退火处理的工件铣削后的晶粒相对均匀，细小的晶粒长大，织构强度降低;精加工后的晶粒尺寸更加细小和均匀;GNDs分布进一步表明锻件精加工铣削后存在较高的残余应力。

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（注，原文标题：热处理状态和铣削工艺参数对钛合金锻件铣削后残余应力分布与演化机制的影响_涂彬琳）

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