近年來我國自主開發了TC18( Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe) 超高強度鈦合金，該合金兼有α + β 鈦（tài）合金和β 鈦合（hé）金的綜合性能（néng），強度高、韌性好，焊接性（xìng）能優，特（tè）別適用於製造飛機起落架等關鍵部件［1，2］。然而，鈦合金導熱性能差，易（yì）於粘刀（dāo），因而切削加工難（nán）度大（dà），而TC18 鈦合金強度高，故其加工難度比一（yī）般鈦（tài）合金更大［3 ～ 5］。車（chē）削加工是飛機起落架等關鍵部件的重要（yào）加工工序，車削加（jiā）工試樣（yàng）表麵粗糙度對其力學性能，尤其是（shì）對疲勞（láo）性能影響顯著［4 ～ 6］，加之鈦合金材料的力學性（xìng）能對表麵狀態尤為敏感，因此，在車（chē）削加工中合理地控製加工零部件的表（biǎo）麵粗糙度（dù）十分重要。另外，在保障合適的加工件表麵質量的前提下（xià），提高加工效率、並兼顧合理的刀具壽命也是十（shí）分必（bì）要的［5，6］。關於鈦合金切削加工（gōng）技術的研究已有開展，並得到了一些有價值（zhí）的數據和規律［3 ～ 10］，然而（ér）多數研究工（gōng）作主要針對刀具的磨（mó）損方麵［7 ～ 10］，而關於車（chē）削（xuē）加工對鈦合金表麵粗糙度（dù）影響（xiǎng）研（yán）究的工作相對較（jiào）少，而以加工（gōng）件表麵（miàn）粗糙度為判據對TC18 鈦合金車削加工工藝參數進行優化的（de）研究工作，目前尚很少見報道。

      首先（xiān）研究機（jī）械加工表麵粗糙度Ra對（duì）TC18 鈦合金疲勞壽命的影響規律（lǜ），以驗證嚴（yán）格控製（zhì）車削加工試樣表麵粗糙度的重要性。然後利用正交試驗法（fǎ）設計車（chē）削加工工藝參數，並以零件表麵粗糙度Ra值為車削（xuē）加工表麵質量評價指標，對TC18 鈦合金車削加工工（gōng）藝參數進行優化研究。

      1 材料及試驗方法

      1. 1 試驗材料與試樣

      車削加工（gōng）的材料對象為TC18 超高強度鈦（tài）合金（jīn）棒料，直徑40 mm。熱（rè）處理製度為: 840 ℃，1 h + 爐冷+ 750 ℃，1 h + 空（kōng）冷+ 600 ℃，2 h + 空冷。通（tōng）過雙重退（tuì）火處理獲得（dé）α + β 雙相組織。TC18 鈦合金的（de）化學成份、室溫（wēn）力學性（xìng）能分別如表1、表2 所示。

      旋轉彎曲（qǔ）疲勞試樣幾何形狀（zhuàng）及尺（chǐ）寸如圖1 所示。為了揭示（shì）機械加工表麵粗糙度對（duì）TC18 鈦合（hé）金疲勞性（xìng）能的影響規律，分別采用粗車、精車和精車後機械拋光的方法製備表麵粗糙度（dù）Ra值分別為2 μm、0. 8 μm 及0. 06 μm 的3 種疲勞試樣，進行疲勞（láo）壽命對比試驗研（yán）究。

      1. 2 試驗方法

      TC18 鈦合金的（de）車削工藝試驗研究在CM6140車床上（shàng）進（jìn）行，使用（yòng）伊斯卡（kǎ）( ISCAR) 公司生產的帶（dài）TiAlN 塗層的硬質合金刀片，刀片型（xíng）號為（wéi）WNMG080412-TF，配合刀杆型號為PWLNR 2020K-08X。TC18 鈦合金的車削工藝參數優化采用分別采用如（rú）表3 所示的三水平L9 ( 34 ) 正（zhèng）交試驗方法，因素A、B、C 分別代表轉速、走刀量及切削（xuē）深度，由於加（jiā）工參（cān）數隻有3 個，所以D 列為空列作為誤差列（liè）。通過改變切削速度（dù）、走刀量以及切削深度，研究車削工藝參數（shù）對TC18 鈦合金表麵粗糙度的影響規律。車削加工試驗在冷卻液充（chōng）分（fèn）供給的條件下進（jìn）行。

      鈦合（hé）金（jīn）車削加工試件表麵粗糙度的測量利用日本三豐公司的Surf Test SJ-201 型粗（cū）糙（cāo）度儀（yí）。疲勞試驗采用PQ-6 型旋轉彎（wān）曲疲勞試驗機，轉速3 000 r /min，室溫下（xià）進行。首先通過精車試樣的應力壽命( S-N) 曲線測試，確定合適的最高循環（huán）應力水平（píng）條件，在（zài）此相同應力條件下（xià）對比各表麵粗糙度狀態試樣的中值疲勞壽命，平行試樣為5 件。

      1. 3 數據分析方法

      分別采用直觀分（fèn）析（xī）法、方差分析法、Taguchi 分析法以及多元線性回歸分析（xī）法（fǎ）綜合（hé）分析車削加工試驗結果［11 ～ 15］。Taguchi 分析法是由（yóu）日本田口玄一博（bó）士創立的，它是一種以試驗技術為基礎，通過係統設計、參數設計（jì）和容差設（shè）計提高（gāo）與改（gǎi）進產品質量的一種質量工程方法（fǎ）。田口法的核心（xīn）分析工具是正交（jiāo）表（biǎo）和信（xìn）號與幹擾比（bǐ）S /N。在S /N 分析中，性能特性（xìng）可以分成望（wàng）小特（tè）性、望大特性和望目特（tè）性。為了獲得最佳的加工性能，對表麵粗糙度應采用望（wàng）小特性來研究。對於望小特性，S /N 比值公式為

      式中: Yi是第i 次實驗結果( 即試驗中被加工零件表麵粗糙度的實際測量值) 。可以通過信號與幹擾比（bǐ）和（hé）方差分（fèn）析來預測車削過程可變參數的最佳組合。根據上述分析方法確定最佳車削加工參數，最後，通過驗證性試驗來考核所確定的最佳車削加工參數的合理性。

      2 試驗結（jié）果與分析

      2. 1 表麵粗糙度對TC18 合（hé）金疲勞壽命（mìng）的影響

      表4 所（suǒ）示（shì）為（wéi）分別采用粗車、精車和精車後機械拋光的方法製備的3 種（zhǒng）表麵粗糙度( Ra值分別為2 μm、0. 8 μm 及0. 06 μm) 疲勞（láo）試樣在600 MPa 最大循（xún）環（huán）應力條件下的疲勞壽命試驗結果，每（měi）種表（biǎo）麵（miàn）粗糙度平行試樣為5 件。600 MPa 最大循環（huán）應力水平條件的確定依據對精車試樣的（de）應力-壽（shòu）命( S-N)曲線的測試結（jié）果（guǒ）。

      表（biǎo）4 所示的疲勞壽命試（shì）驗結（jié）果表明，機械加工表麵粗糙度對（duì）TC18 鈦合金疲（pí）勞（láo）壽命（mìng）有顯著的影響，表麵粗糙度愈大，其疲勞壽命愈（yù）低，粗車試樣 ( Ra = 2. 0 μm) 的疲勞壽（shòu）命分別是精車試樣( Ra =0. 8 μm) 和拋光試樣( Ra = 0. 06 μm) 疲勞壽命的1 /53和1 /62，故機械加工（gōng）中必須嚴格控（kòng）製工（gōng）件的表麵粗糙度。原因是鈦合金對表麵缺口敏（mǐn）感性高，尤其（qí）是TC18 鈦合金屬於超高強度鈦合金，其（qí）表（biǎo）麵（miàn）缺口敏感性會更高［16］。

      此外，為了（le）模（mó）擬承受彎曲（qǔ）交變載荷的航空零部件而采用了旋轉彎（wān）曲疲勞（láo）試驗方（fāng）法，試樣表麵承受最大的交變應力幅值（zhí），故疲勞裂紋首先從表麵萌生，因而表麵粗糙（cāo）度愈大，其疲勞裂紋愈易於在表麵萌生，裂紋萌生壽命所占總（zǒng）壽（shòu）命的（de）比例會降低，由此導致鈦合金表麵粗糙度（dù）愈高，其疲勞抗力愈低。另（lìng）外通（tōng）過對比拋光和精車試樣的疲勞壽命可以發現，盡（jìn）管二者的表麵粗糙度Ra值相差1 個數量級，然而，前者的疲勞壽命僅僅比後者提高了16. 6%，這說明TC18 鈦（tài）合金的疲勞壽命與表麵粗糙度（dù）Ra值並非呈線（xiàn）性變化關係，通（tōng）過合適的精車參數控製表麵粗糙度達到一定數（shù）值後，即可獲得很高的疲勞抗力。由此可（kě）見（jiàn），對於承受（shòu）疲勞載（zǎi）荷的（de）超高強度TC18 鈦合金（jīn）零件的車削加工來說，可以（yǐ）用表麵粗糙度值Ra值（zhí）作為評價指標，通過（guò）優化（huà）加工參數試驗，獲得合理的車削加工參數，以保證較高的TC18 鈦合金的（de）抗疲勞性（xìng）能。

      2. 2 直觀分析（xī）

      表（biǎo）5 為對應表3 所示的不同車削加（jiā）工參數（shù）下所（suǒ）製備（bèi）試樣的表麵粗糙度測試結果，考（kǎo）慮到試件表麵粗（cū）糙度分布的分散性和測試數據的（de）可靠性，采取測試（shì）被加工試件表麵3 處（chù）不同位置的表麵粗糙（cāo）度，並（bìng）取平均（jun1）值作（zuò）為試驗結果。

      由表5 所示的試驗結果（guǒ）可以看到，4 號參數加工試樣的表麵粗糙（cāo）度值最小，Ra = 0. 82 μm，即與前麵疲勞（láo）試驗中的精車試樣的表麵粗糙度相近，其（qí）加工方案為A2B1C2 ( 表示A 因素第二個水平、B 因素第一個水平、C 因素第二個（gè）水平，即轉速為200 r /min、走刀量為0. 2 mm/r、切削深度為（wéi）2. 5 mm) ; 其次是7 號參（cān）數下加（jiā）工件的表麵粗糙度值較低，Ra = 0. 99 μm，其加工（gōng）方案為A3B1C3。上述結果是通過試驗直（zhí）接得到（dào）的，為了進（jìn）一步尋找最佳因素水平配合方（fāng）案，分析過程中（zhōng）采用文獻［12］中的主要計算公式，計（jì）算各因（yīn）素的極差值如表（biǎo）6 所示，得到了各因（yīn）素對零件表麵粗糙度值的影響趨勢圖如（rú）圖（tú）2 所示。

      由表6 所示分析結果可以看（kàn）出各影響因素的（de）極差關係（xì）為RB ＞ RC ＞ RA，由此（cǐ）可以得到影響零件表麵粗（cū）糙度（dù）各因素的主次（cì）順序（xù）為: 走刀量B ＞ 切削深度C ＞ 轉速A。從圖2 可以（yǐ）看出: 因素B( 走刀量) 對零件表麵粗糙（cāo）度影響最大，隨著走刀量的增大，零件表麵（miàn）粗糙度急（jí）劇增加; 因素A 與因素C 對零件表麵粗糙度影響規律一致，均存在極小（xiǎo）值點。從圖2 可以直觀得到獲（huò）得最低（dī）零件表麵粗糙度的最優車削加工（gōng）參數組合方案為A2B1C2 ( 即轉速為200 r /min、走刀量為（wéi）0. 2 mm/r、切削深度為2. 5 mm) 。根據2. 1 節的疲勞試驗結果可知，采用該（gāi）車削加工參數可以（yǐ）獲得很高的TC18 鈦（tài）合金疲勞抗力。

      2. 3 方差分析

      直觀分析不能估計試驗中必然存在的誤差的大小，即（jí）不能（néng）區分因素（sù）各水平所對應（yīng）的試驗結果間的差異究竟是由於因素水平不同所引起的，還是由於試驗誤差（chà）造成的，因（yīn）而不能知道（dào）分（fèn）析的精度。為了彌補直（zhí）觀分析的不足（zú），可采用方差分析的方法。方差分（fèn）析就是利用試驗（yàn）結果的信息，對試（shì）驗中哪些因素對試驗結果有顯著性作用（yòng），哪些（xiē）因素沒有顯著作用作出合理判斷的統計方法。表7 所示為方差分析結果（guǒ），對於給定顯著水（shuǐ）平（píng）α = 0. 01 或（huò）0. 05，因素B( 走刀量f) 對粗糙度影（yǐng）響是非常顯著的，因（yīn）素C 與因素A 對粗糙度（dù）的影響不顯著。這個結論與直觀分析得到的結論是一致的。走刀量f 是車削TC18 鈦合金零件表麵粗糙度的主要影響因（yīn）素，這（zhè）一結論從理論分析上也得到了支（zhī）持.［5］

      2. 4 Taguchi 法分析

      零件（jiàn）表麵粗糙（cāo）度Ra的（de）望小特性S /N 比的計算分別將試驗結果代（dài）入公式( 1) ，計算得到S /N 比值，表8 所示為正（zhèng）交（jiāo）試驗表（biǎo）L9 ( 34 ) 及試驗與計算結果。在Taguchi 分析方法思想中，S /N 比值越大越（yuè）好。進一步計算信號與（yǔ）幹擾比響應列入表9 中，並繪出各影響因素水平對S /N比值的趨勢圖如圖3 所示。

      由表9 可以看出，各參數水平對（duì）S /N 的影響效應不同，其中因素B( 走刀量f) 影響最大，且隨著走刀量的增加S /N值急（jí）劇下降; 因素A( 轉速v) 與因素C( 切削深度ap) 對車削試件表麵粗糙度影響規律一致，均存在極大值點。根據各因素（sù）對S /N 的影響（xiǎng）程度可（kě）以判定（dìng）各車削參（cān）數對表麵粗糙度（dù）的影響按主次排列（liè）次序（xù）依次為: 走刀量f ＞ 切削深度ap ＞ 轉（zhuǎn）速v 。

      根據Taguchi 分析方法思想中S /N 比值越大越好的原則，從圖3 中可以得到獲（huò）得零（líng）件表麵粗糙度最低的（de）最優車削參數組合方案為A2B1C2 ( 即轉速為200 r /min、走刀量為0. 2 mm/r、切削深度為2. 5 mm) ，該分析結果與直觀法（fǎ）、方差分析法的分析結果是一致的。

      2. 5 多元線性回歸（guī）分析

      根據表8 所示的（de）試驗方案及試驗數據，采用數理統計（jì）分析軟（ruǎn）件SPSS 13. 0 進行多（duō）元線性回歸分析，可得車削（xuē）試（shì）件表麵（miàn）粗糙（cāo）度Ra與車（chē）削加工參數（shù）之間關係的多元線性回歸方程

                    Ra = － 0. 378 + 4. 05 × 10 －5 v + 6. 9f － 0. 06ap                ( 2)

      上述回歸方（fāng）程可作（zuò）為車削加工工件表麵粗糙度數值的預測方程。

      2. 6 驗證試驗

      為了進一步驗證上述優化車削加工參數組（zǔ）合方案及加工件表麵（miàn）粗糙度預測方程的合理性與可靠性，進行了驗證試驗。根據（jù）前麵分析得到的最優參數組合為A2B1C2 ( 即轉速（sù）為200 r /min、走刀量為0. 2 mm/r、切削（xuē）深度為（wéi）2. 5 mm) ，進行了3 次重複驗證試驗（yàn），試件的表麵粗糙度測試結果和根據方程 ( 2) 預（yù）測的結果如表（biǎo）10 所示。

      對比表（biǎo）10 所示的測試及（jí）計算結果可以看到，3次重複驗證（zhèng）試驗所加工試件的表麵粗糙度測試值分別為0. 88 μm、0. 82 μm 及0. 80 μm，平均值為0. 83 μm。根據車削試件表麵粗糙度預測方程( 2)計算所得到的Ra = 0. 86 μm，預測值與實際測試值間（jiān）的誤差平均為（wéi）4. 9%。上述（shù）驗證試（shì）驗，不僅表明（míng）優化車削參數能獲得較低的車削（xuē）加（jiā）工件表麵粗糙度，試件的表麵粗糙度數值穩定性好，而且表（biǎo）明了所（suǒ）得（dé）Ra預測方（fāng）程的正確性。

      3 結論

      1) 機械加工表麵粗糙度對TC18 鈦合金疲勞抗力有重要的影響作用，粗糙度愈高，疲勞壽命愈低，粗糙度Ra從2 μm 降低到0. 06 μm，疲勞壽命提高61 倍（bèi）。表麵粗糙度Ra值（zhí）可作為疲勞服役工況下鈦合金零部件車削加工參（cān）數優化的評價指標。

      2) 走刀量f 是TC18 鈦合金車削加工零件表麵粗糙度影響（xiǎng）最顯著的因素，車削加工參數對鈦合金表麵粗糙度影響程度的排序為: 走刀量f ＞ 切（qiē）削深度ap ＞ 轉速v。優化的TC18 鈦（tài）合金車削加（jiā）工參數為轉速v =200 r /min、走（zǒu）刀量f =0. 2 mm/r、切削深度ap =2. 5 mm，此時可以（yǐ）得到較高的鈦合金抗疲勞（láo）性能。3) 建立（lì）了預測車削加工TC18 鈦合金表麵粗糙度（dù）與車削轉速（sù）、走到量和切削（xuē）深度之間關係的（de）定量方程（chéng），該方程預測結果（guǒ）與驗證試驗（yàn）結果有良（liáng）好的一致性。