發(fā)布日期：2021-10-19 17:27:23
1、引言
鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱性好和抗蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備以及汽車(chē)制造等領(lǐng)域，常用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、導(dǎo)彈殼體、輕型火炮部件和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等。但由于其導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性強(qiáng)，使得在切削加工過(guò)程出現(xiàn)切削力大、切削溫度高和刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，對(duì)工件已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，增加生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效率，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中的切削速度一般在50m/min以下。
高速切削加工技術(shù)由于具有高效率、高精度、高表面質(zhì)量和可加工高硬材料等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，學(xué)者們針對(duì)鈦合金高速切削加工進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。本文對(duì)近年來(lái)在鈦合金高速切削領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)分析了在鋸齒形切屑、切削力、切削溫度、加工表面質(zhì)量和刀具磨損方面的試驗(yàn)結(jié)果，指出了目前存在的問(wèn)題以及優(yōu)化趨勢(shì)，旨在促進(jìn)鈦合金高速切削加工技術(shù)的發(fā)展。
2、鋸齒形切屑的研究
鋸齒形切屑是鈦合金在高速切削時(shí)的典型切屑形態(tài)，會(huì)引起切削力的周期性波動(dòng)，加劇刀具磨損，降低工件已加工表面質(zhì)量。因此，對(duì)鋸齒形切屑的研究一直都是學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。
2.1 切屑微觀形貌
Barry J.等通過(guò)Ti6Al4V正交車(chē)削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在切削速度和切削厚度較低時(shí)，產(chǎn)生非周期性鋸齒形切屑，隨著切削速度和切削厚度的增加，切屑將轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛凿忼X狀切屑。Molinari A.等則在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0.01m/s≤vc≤21m/s時(shí)，切屑為連續(xù)鋸齒屑；當(dāng)vc＞21m/s時(shí)，切屑為不連續(xù)鋸齒屑，破碎成小塊。文獻(xiàn)［6］研究了顫振對(duì)Ti6Al4V鋸齒形切屑形態(tài)的影響，提出鋸齒形切屑的齒形與顫動(dòng)幅度相對(duì)應(yīng)。在無(wú)顫振的情況下，鋸齒形切屑的齒形大小均勻且單元排布緊密（見(jiàn)圖1a），而在顫振條件下則會(huì)形成少量的大齒，有時(shí)也會(huì)有較大齒和較小齒交替出現(xiàn)的現(xiàn)象（見(jiàn)圖1b）。
圖1 顫振對(duì)Ti-6Al-4V鋸齒形切屑的影響
在干車(chē)削Ti6Al4V時(shí)，Sun S.等發(fā)現(xiàn)在低切削速度和高進(jìn)給速度的條件下，一次切削中形成了連續(xù)和鋸齒狀切屑，且鋸齒形切屑中未變形表面的長(zhǎng)度將隨著進(jìn)給速度的增加而增大，與切削速度和切削深度無(wú)關(guān)。Wang B.等則基于Molinari的試驗(yàn)結(jié)果，在切削厚度為0.1mm的情況下，研究了切削速度在50~3000m/min范圍內(nèi)正交切削Ti-6Al-4V時(shí)的切屑形態(tài)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度為2500m/min時(shí)，鋸齒形切屑的分節(jié)處將會(huì)完全斷裂，進(jìn)而變?yōu)樗閿嗲行�，鋸齒狀切屑的形態(tài)和表面顏色也會(huì)有所變化。Sui S.C.等的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)毒吣p增加時(shí)，切屑顏色變深。
在鋸齒形切屑的幾何形貌方面，Schulz H.等采用鋸齒化程度Gs來(lái)表征鋸齒形切屑的演化，發(fā)現(xiàn)切削用量三要素中，只有切削速度和每齒進(jìn)給量影響切屑的鋸齒化程度。Cotterell M.等通過(guò)Ti6Al4V正交車(chē)削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在4~140m/min的切削速度范圍內(nèi)均可觀察到鋸齒形切屑，且鋸齒化程度會(huì)隨著切削速度的增加而增大，隨進(jìn)給量的增加而減小。Mohammad Sima等也得出了類(lèi)似結(jié)論，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)鋸齒化程度會(huì)隨著刀具前角的減小而降低，鋸齒狀切屑的螺距則會(huì)隨著切削速度的降低、切削厚度的增加以及刀具前角的減小而增加。文獻(xiàn)［13，14］的研究表明，當(dāng)切削速度增加時(shí)，Ti6Al4V的切屑厚度、鋸齒間距、鋸齒高度都會(huì)隨之減小。當(dāng)切削速度超過(guò)48.75m/min時(shí)，切屑從帶狀變成鋸齒狀，該切削速度為切屑形態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界切削速度。
Sutter G.等在觀察了車(chē)削加工Ti6Al4V后獲得的鋸齒形切屑得知，在較高的切削速度和切削厚度（vc＞45m/s，ac＞0.25mm）下鋸齒形切屑為規(guī)則的三角形。切削速度會(huì)影響切屑的鋸齒頻率、剪切角和裂紋長(zhǎng)度，對(duì)切屑的形成影響最大。Ke Q.C.等通過(guò)正交車(chē)削試驗(yàn)指出，在低速（10~40m/min）、中速（40~100m/min）、高速（100~160m/min）條件下，Ti6Al4V切屑形貌分別為不連續(xù)、長(zhǎng)卷曲和連續(xù)狀。隨著切削速度的增加，剪切滑移距離和滑移角會(huì)隨之增大；在進(jìn)給量增加時(shí)，剪切滑移距離增大，滑移角減小。
在鈦合金的高速銑削過(guò)程中，鋸齒化程度會(huì)隨著銑削速度和進(jìn)給量的增加而變得更加明顯。但增大刀具前角時(shí)，切屑的鋸齒化程度降低，鋸齒底角和頂角都會(huì)隨著切削速度的增加而減小。
2.2 形成機(jī)理
鋸齒形切屑的形成機(jī)理目前仍然存在爭(zhēng)議，主要可歸納為絕熱剪切理論（熱塑性失穩(wěn)導(dǎo)致的集中剪切，見(jiàn)圖2）和周期脆性斷裂理論（裂紋誘發(fā)幾何失穩(wěn)導(dǎo)致的集中剪切，見(jiàn)圖3）。Molinari A.等、Ye G.G.等、Wu H.B.等、劉麗娟等均通過(guò)試驗(yàn)研究提出，鋸齒形切屑的形成是由于較弱的熱機(jī)械不穩(wěn)定性導(dǎo)致絕熱剪切帶變形所引起，認(rèn)為熱塑性失穩(wěn)導(dǎo)致的集中剪切是鋸齒形切屑形成的根本原因。
圖2 絕熱剪切
圖3 周期脆性斷裂
而文獻(xiàn)［23-25］則認(rèn)為鋸齒形切屑的形成機(jī)理為周期脆性斷裂理論。即鋸齒形切屑的形成是由于在切削過(guò)程中，被切削層材料在刀具作用下內(nèi)部產(chǎn)生韌性斷裂，第一變形區(qū)內(nèi)剪切抗力由于裂紋的產(chǎn)生而降低，從而發(fā)生集中剪切變形，并形成集中剪切帶，導(dǎo)致切削層材料沿剪切帶滑移所引起。
目前關(guān)于鈦合金鋸齒形切屑的形成機(jī)理，大多數(shù)學(xué)者都較為認(rèn)可絕熱剪切理論，認(rèn)為鋸齒形切屑產(chǎn)生的根本原因是熱塑性失穩(wěn)導(dǎo)致的集中剪切。
2.3 絕熱剪切帶
絕熱剪切現(xiàn)象是鋸齒形切屑形成過(guò)程中最典型的特征，該現(xiàn)象的出現(xiàn)使得切屑內(nèi)部變形不均勻，最終形成的切屑呈現(xiàn)鋸齒狀。在高應(yīng)變和高應(yīng)變率作用下，局部區(qū)域由驟然升溫引起熱軟化效應(yīng)，超過(guò)材料由應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，材料發(fā)生熱塑性失穩(wěn)，產(chǎn)生與周?chē)w材料差別較大的集中剪切滑移變形，形成高度局部化的剪切滑移帶，即ASB絕熱剪切帶（見(jiàn)圖4）。
圖4 Ti-6Al-4V切屑中的絕熱剪切帶
為探究ASB的形成及演化機(jī)制，Ranc N.等在低溫（50℃~300℃）條件下對(duì)切屑中的ASB進(jìn)行了觀察，認(rèn)為ASB的啟動(dòng)機(jī)制為幾個(gè)獨(dú)立的ASB同時(shí)啟動(dòng)并開(kāi)始生長(zhǎng)，當(dāng)其中一個(gè)開(kāi)始傳播時(shí)，引起應(yīng)力下降，使其他ASB停止生長(zhǎng)，并產(chǎn)生一個(gè)波段使其沿樣本所有周長(zhǎng)延伸。Rittel D.等通過(guò)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中Ti6Al4V鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變-溫度的演變過(guò)程，提出應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為均勻應(yīng)變、非均勻應(yīng)變和高度局部化應(yīng)變?nèi)齻�(gè)階段，且所測(cè)溫度曲線與計(jì)算得出的溫度曲線相交和發(fā)散的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于絕熱剪切帶的起點(diǎn)和終點(diǎn)。Wan Z.P.等的試驗(yàn)結(jié)果表明，ASB隨著切削速度的增加可分為形變帶（主要特征為剪應(yīng)變高度集中、晶粒劇烈拉長(zhǎng)和碎化）、形變帶和轉(zhuǎn)變帶、轉(zhuǎn)變帶（主要特征為發(fā)生相變或再結(jié)晶）。
2016年，Li P.N.等車(chē)削Ti6Al4V鈦合金時(shí)，在較低切削速度下的切屑中觀察到了絕熱剪切帶，且發(fā)現(xiàn)在相同切屑長(zhǎng)度中ASB的數(shù)量會(huì)隨著切削速度的增大，呈先減小后增大的趨勢(shì)（波谷出現(xiàn)在vc=110~140m/min速度區(qū)間）。隨后，Wang F.等在常規(guī)冷卻環(huán)境下對(duì)此類(lèi)鈦合金進(jìn)行了高速銑削試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)切削速度為150m/min時(shí)，由于開(kāi)始產(chǎn)生ASB和非均勻鋸齒形切屑，導(dǎo)致高頻振蕩切削力。而采取低溫冷卻時(shí)，在切削速度為50~200m/min的范圍內(nèi)并未形成明顯ASB。
在絕熱剪切靈敏性方面，Li J.Q.等研究了在相同切削條件下切削TA2與Ti6Al4V鈦合金所獲得的兩種不同切屑，結(jié)果表明，Ti6Al4V鈦合金比TA2合金更容易出現(xiàn)鋸齒形切屑，通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)鋸齒形切屑的出現(xiàn)與由價(jià)電子數(shù)表征的絕熱剪切靈敏性有關(guān)，靈敏度越高越容易產(chǎn)生鋸齒形切屑。
3、切削力研究
切削力一直是高速切削加工試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容，學(xué)者們?cè)阝伜辖鸶咚偾邢鞯那邢髁Ψ矫嬉查_(kāi)展了大量工作。
3.1 高速車(chē)削
通過(guò)Ti6Al4V合金的高速干車(chē)削試驗(yàn)，Sun S.等發(fā)現(xiàn)在鋸齒形切屑的形成過(guò)程中，切削力產(chǎn)生了周期性變化，且切削力的頻率與鋸齒頻率基本一致，會(huì)隨著切削速度的增加而增大，隨著進(jìn)給速度的增加而減小，其振幅與切削深度和進(jìn)給速度成正比。當(dāng)vc＞57m/min時(shí)，高頻循環(huán)力振幅會(huì)隨切削速度的增加而減小。王曉琴等的試驗(yàn)結(jié)果則表明，在切削深度和進(jìn)給量一定的情況下，由于刀具劇烈磨損，刀具刃口半徑增大，將使得切削力隨著切削長(zhǎng)度的增加而逐漸增大，且與切削速度成正比。
已有研究表明，在刀具正常磨損階段，切削力與刀具磨損呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；而在急劇磨損階段，切削力與刀具磨損呈正相關(guān)關(guān)系，且將210N看作是刀具產(chǎn)生劇烈磨損時(shí)的臨界切削力。通過(guò)對(duì)比其他刀具材料，發(fā)現(xiàn)在高速、低進(jìn)給量、低背吃刀量的切削條件下，使用PCBN刀具加工鈦合金時(shí)所獲得的切削力更加平穩(wěn)。
總體來(lái)看，切削參數(shù)對(duì)切削力的影響由大到小依次是切削深度、進(jìn)給量、切削速度。切削力隨切削深度和進(jìn)給量的增大而增大（見(jiàn)圖5）。
圖5 切削力隨切削參數(shù)的變化
3.2 高速銑削
在干銑削條件下，Safari H.等對(duì)高速干銑削Ti-6Al-4V-ELI鈦合金時(shí)的切削力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)切削力與切削速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，進(jìn)給速度與X和Y方向上的切削力成正比；且在較低的進(jìn)給速度下，與涂層刀具相比，未涂層刀具的鋒利刃口能有效降低切削力。Wang F.等經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在徑向切削深度ae=1.0mm的條件下干銑削Ti6Al4V鈦合金時(shí)，在切削速度vc<200m/min時(shí)，切削力隨切削速度的增加而減��；當(dāng)切削速度vc>200m/min后，切削力與切削速度呈正相關(guān)，當(dāng)切削速度vc=200m/min時(shí)，切削力最小。研究認(rèn)為，該現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于在vc＜200m/min時(shí)，隨著切削速度的增加產(chǎn)生了大量的切削熱，使材料熱軟化，從而導(dǎo)致切削力降低；而當(dāng)vc＞200m/min后，由于刀具磨損較為嚴(yán)重導(dǎo)致切削力增大，因而使vc=200m/min時(shí)切削力最小。
文獻(xiàn)［41-43］的結(jié)果表明，對(duì)銑削合力影響順序依次為軸向切削深度>每齒進(jìn)給量>銑削速度>徑向切削深度。銑削合力會(huì)隨著軸向切深、每齒進(jìn)給量和徑向切深的增加而增大。當(dāng)切削速度vc<200m/min時(shí)，銑削合力會(huì)隨著切削速度的增大而減��；當(dāng)切削速度vc>200m/min時(shí)，銑削合力會(huì)隨著切削速度的增大而增大。在銑削分力中，徑向力Fx最大，切向力Fy次之，軸向力Fz最小，其各自隨切削參數(shù)的變化規(guī)律見(jiàn)圖6。
圖6 切削分力在不同切削參數(shù)下的變化情況
4、切削溫度研究
作為切削機(jī)理研究中的重要組成部分，切削溫度對(duì)切削力、刀具磨損和加工表面殘余應(yīng)力等方面的影響較大，因此也是研究的重點(diǎn)之一。
切削溫度的測(cè)量主要分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量方法主要采用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，是最為常見(jiàn)的一種測(cè)溫方式。韓滿(mǎn)林等通過(guò)自然熱電偶分別對(duì)氮?dú)馍淞�、空氣射流和干切削條件下的切削溫度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明在不同切削環(huán)境中的切削溫度由低到高依次為氮?dú)馍淞鳌⒖諝馍淞�、干切削環(huán)境。而Li G.等則研究了在切削液中加入不同濃度氧化石墨烯（GraO）對(duì)Ti6Al4V鈦合金切削溫度的影響，通過(guò)K型熱電偶測(cè)溫后發(fā)現(xiàn)，隨著GraO濃度的增加，刀-屑界面的切削溫度顯著降低，熱對(duì)流將切削區(qū)域7％的熱量傳遞出去，但GraO濃度對(duì)熱對(duì)流過(guò)程的影響有限。
非接觸式測(cè)溫法中最常用的是輻射法，即通過(guò)被測(cè)對(duì)象的輻射能與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度。Armendia M.等采用顯微熱成像技術(shù)對(duì)高速切削Ti6Al4V鈦合金的切削溫度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，切削溫度主要集中在刀尖附近的狹窄區(qū)域，且在切削速度為180m/min、切削厚度為0.1mm、切削深度為1mm的切削條件下連續(xù)切削時(shí)，刀具前刀面的切削溫度為800℃。Dhananchezian M.等通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，相比于濕切削（乳化切削液），在液氮低溫冷卻環(huán)境下Ti6Al4V切削溫度下降了61%~66%，說(shuō)明選用合適的切削環(huán)境能顯著降低鈦合金高速切削時(shí)的溫度。在加工過(guò)程中隨著刀具磨損程度的加劇，刀具表面的切削溫度也會(huì)明顯升高，但涂層刀具的表面切削溫度相比于未涂層刀具略低。肖虎等發(fā)現(xiàn)，低溫CO2與干冰化合物能有效降低高速車(chē)削Ti6Al4V鈦合金時(shí)的切削溫度，僅為干切削條件下的37.43%。
研究表明，影響切削溫度的因素由大到小依次是：切削速度vc、徑向切削深度ae、每齒進(jìn)給量fz。切削環(huán)境也會(huì)對(duì)切削溫度造成一定影響。切削溫度隨著切削速度vc、徑向切削深度ae和每齒進(jìn)給量fz的增大而升高。徑向切削深度增大時(shí)，切削速度對(duì)切削溫度的影響更加顯著。切削參數(shù)和不同切削環(huán)境（干式、超臨界CO2、基于超臨界CO2和水基切削液的微量潤(rùn)滑、基于超臨界CO2和油基切削液的微量潤(rùn)滑）對(duì)切削溫度的影響規(guī)律見(jiàn)圖7。
圖7 切削溫度隨切削參數(shù)的變化情況
5、表面質(zhì)量研究
作為衡量工件整體性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，從表面粗糙度Ra、表面白層和殘余應(yīng)力三個(gè)方面對(duì)加工表面質(zhì)量進(jìn)行了大量研究。
5.1 表面粗糙度
Yang X.Y.等對(duì)Ti6Al4V鈦合金進(jìn)行了高速側(cè)銑試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在切削速度vc=320~380m/min時(shí)，工件表面粗糙度值較低（Ra=0.37~0.66μm）并趨于穩(wěn)定。Li A.H.等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度vc<500m/min時(shí)，表面粗糙度會(huì)隨著切削速度的增加而減小，當(dāng)切削速度vc>500m/min時(shí)，表面粗糙度值將隨著切削速度的增加而增大。Wang F.等通過(guò)分析高速側(cè)銑Ti6Al4V鈦合金的試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，隨著切削速度的增加，Ra先減小后增大的臨界切削速度為200m/min。可以看出，目前所得到的關(guān)于切削速度與表面粗糙度之間變化規(guī)律的結(jié)論并不一致，爭(zhēng)議點(diǎn)主要集中在Ra隨著切削速度的增加出現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)時(shí)在拐點(diǎn)處切削速度的大小。出現(xiàn)以上爭(zhēng)議的主要原因在于表面粗糙度與刀具磨損相關(guān)，相關(guān)學(xué)者在試驗(yàn)時(shí)所采用的刀具種類(lèi)不同，而不同刀具在不同切削速度下的磨損程度也不同，得出的結(jié)論并不一致。因此，在探究隨著切削速度增加時(shí)Ra的變化規(guī)律時(shí)，需要考慮刀具種類(lèi)的影響。
部分學(xué)者研究了不同切削環(huán)境下表面粗糙度的變化規(guī)律，如Shokrani A.等分別在干燥、水冷和液氮環(huán)境下對(duì)端銑加工后的Ti6Al4V鈦合金工件表面質(zhì)量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于低溫冷卻作用，工件的表面缺陷顯著減少。且相比于水冷和干切削條件，在液氮低溫冷卻條件下，工件表面粗糙度值分別降低了31%和39%。Limin S.的試驗(yàn)結(jié)果表明，在切削液環(huán)境中當(dāng)切削速度為40m/min和80m/min時(shí)，由于切屑的鋸齒化程度加劇將導(dǎo)致切削力波動(dòng)增大，從而導(dǎo)致工件表面粗糙度值比干切削時(shí)更大。而當(dāng)vc=120m/min時(shí)，由于刀具磨損，干切削條件下表面粗糙度更大。對(duì)于在液氮低溫冷卻下銑削Ti6Al4V鈦合金時(shí)表面粗糙度的變化，Zhao W.等進(jìn)行了更為詳細(xì)的研究，結(jié)果表明，在恒定切削速度下工件表面粗糙度會(huì)隨著射流溫度的下降而降低，且在切削速度分別為60m/min，90m/min，120m/min時(shí)，表面粗糙度相比于干銑削分別降低了33.11%，24.20%，34.08%。
從現(xiàn)有研究來(lái)看，對(duì)工件表面粗糙度的影響程度由大到小依次是進(jìn)給量、徑向切削深度、切削速度和軸向切削深度，且在進(jìn)給量和徑向切削深度較低的情況下所獲得的工件表面粗糙度更佳（已加工表面粗糙度隨切削參數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖8）。Ra在一定范圍內(nèi)隨著刀具后角、刀尖半徑和切削速度的增大而減小，在超出此范圍后會(huì)隨著各因素的增大而增大。刀具條件對(duì)Ra也具有一定影響（在刀具正常磨損階段，Ra會(huì)隨著切削速度的增大而減小，在刀具劇烈磨損階段則會(huì)隨著切削速度的增大而增大）。
圖8 表面粗糙度隨切削參數(shù)的變化
5.2 表面白層
Che.Haron C.H.等對(duì)Ti6Al4V鈦合金進(jìn)行干車(chē)削試驗(yàn)時(shí)，觀察到在長(zhǎng)時(shí)間的干切削條件下，工件的加工表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的撕裂和塑性變形，導(dǎo)致產(chǎn)生了厚度小于0.01mm的白層（見(jiàn)圖9）。Velásquez J.D.P.等的試驗(yàn)結(jié)果表明，在Ti6Al4V鈦合金已加工表面上存在微觀白層，在白層中無(wú)化學(xué)反應(yīng)和相變的發(fā)生，并將亞表面分成了以下三個(gè)不同的區(qū)域：高度擾動(dòng)區(qū)、塑性變形層區(qū)以及未觀察到塑性變形的無(wú)影響區(qū)。針對(duì)鈦合金的表面白層，Rancic M.等通過(guò)SEM掃描電鏡和TEM透射電鏡進(jìn)行了觀察，認(rèn)為材料所承受的熱機(jī)械載荷是白層產(chǎn)生的根本原因。白層是一個(gè)單相層（約250nm），其主要組成成分為α′相和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶無(wú)序納米顆粒。但Sun J.等在對(duì)TB6鈦合金進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其加工表面并未出現(xiàn)塑性變形以及白層，說(shuō)明白層的出現(xiàn)可能與鈦合金的種類(lèi)或切削條件有關(guān)。由于白層的硬度很高，有時(shí)會(huì)造成材料的大塊剝落或成為疲勞源，對(duì)工件的表面質(zhì)量影響顯著。
5.3 表面殘余應(yīng)力
已加工表面層殘余應(yīng)力對(duì)零件的使用性能有重要影響，殘余拉應(yīng)力會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，有時(shí)甚至在切削加工后，會(huì)使零件表面產(chǎn)生微裂紋，而殘余壓應(yīng)力卻能抑制裂紋的萌生，提高零件的疲勞強(qiáng)度。因此，開(kāi)展對(duì)表面殘余應(yīng)力的研究，對(duì)保證工件表面質(zhì)量具有重要意義。
圖9 加工表面白層的顯微組織
切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響一直以來(lái)都是研究的重點(diǎn)。Tian W.J.等的試驗(yàn)結(jié)果表明，在銑削TC11鈦合金過(guò)程中，x和y方向上的殘余應(yīng)力隨著切削速度、每齒進(jìn)給量的增加而增大，其中切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響最大，x方向上的殘余應(yīng)力對(duì)銑削參數(shù)的變化更為敏感，而銑削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律并不明顯。但在高速銑削時(shí)，鈦合金已加工工件表面的殘余壓應(yīng)力隨著銑削速度、每齒進(jìn)給量和銑削寬度的增加而降低，不受銑削深度的影響。當(dāng)銑削速度一定時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力在每齒進(jìn)給量和切削寬度增大到一定程度后呈增大趨勢(shì)，在表層出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力層將變深。而刀具幾何參數(shù)對(duì)表面殘余壓應(yīng)力的影響程度由大到小依次為刀具后角>螺旋角>刀具前角。
為揭示在液氮低溫冷卻環(huán)境下切削加工鈦合金時(shí)表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，Ayed Y.等研究了高速車(chē)削Ti6Al4V鈦合金試驗(yàn)，結(jié)果表明，相比于干切削條件，采用低溫輔助技術(shù)可以顯著提高工件的表面殘余壓應(yīng)力，并指出表面殘余壓應(yīng)力的大小應(yīng)與液氮的流速和壓力呈正相關(guān)。Zhao W.等的銑削試驗(yàn)表明，在液氮冷卻低溫下加工鈦合金時(shí)，工件表面的殘余壓應(yīng)力高于干銑削時(shí)的工件表面殘余壓應(yīng)力。且隨著切削速度的增加，殘余壓應(yīng)力及應(yīng)力層的深度也將隨之增加。
Sun J.等發(fā)現(xiàn)，在正交車(chē)削TB6鈦合金時(shí)，工件表面的殘余應(yīng)力為較大的殘余壓應(yīng)力，且在約250μm的表層內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不斷交替變化。但與銑削鈦合金時(shí)所得結(jié)論不同的是殘余壓應(yīng)力會(huì)隨著進(jìn)給速度的增加而增大，而切削速度對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響并不明顯。這說(shuō)明在高速銑削和車(chē)削鈦合金時(shí)，工件表面的殘余壓應(yīng)力與切削速度之間的關(guān)聯(lián)程度可能有所不同，也有可能是由于在試驗(yàn)時(shí)所采用的工件材料類(lèi)別不同所造成的差異。
6、刀具磨損研究
加工鈦合金時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，常有前刀面月牙洼磨損、后刀面磨損、邊界磨損以及微崩刃和破損等發(fā)生，因此研究人員對(duì)此開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究。
6.1 硬質(zhì)合金刀具
目前，鈦合金切削加工主要以硬質(zhì)合金刀具為主，其磨損機(jī)理主要為粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損。由圖10可以看出，在使用硬質(zhì)合金刀具高速切削鈦合金時(shí)，在前刀面上將出現(xiàn)月牙洼磨損，后刀面上也會(huì)發(fā)生磨損和熱裂紋。部分學(xué)者針對(duì)WC碳化鎢刀具在切削加工Ti6Al4V鈦合金時(shí)，因內(nèi)部元素?cái)U(kuò)散或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的刀具磨損進(jìn)行了研究。Zhang S.等的試驗(yàn)結(jié)果表明，在WC刀具的刀-屑界面，由于刀具內(nèi)部Co元素的擴(kuò)散將引起WC顆粒脫落，從而導(dǎo)致前刀面因磨粒磨損出現(xiàn)月牙洼。王英姿等也指出，擴(kuò)散磨損是由于刀具材料中的W和Co向鈦合金粘結(jié)層中擴(kuò)散，而粘結(jié)層中的Ti向刀具材料擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致刀具材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低硬度和韌性，從而引起刀具磨損。
圖10 SEM下所觀測(cè)到的刀具磨損情況
Li A.H.和Wang F.等采用Ti(C-N)-Al2O3涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)Ti6Al4V鈦合金進(jìn)行了高速銑削試驗(yàn)。結(jié)果表明，刀具的前刀面主要為粘著磨損、疲勞磨損以及氧化磨損。而在切削速度達(dá)到300m/min后，齒面磨損寬度將迅速增大。刀具磨損隨著切削速度和進(jìn)給速度的增大而加劇。采用的冷卻方式不同時(shí)，刀具的磨損程度也會(huì)有很大差異。如：Su Y.等高速銑削Ti6Al4V鈦合金的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用CCNG壓縮冷氮?dú)夂虲CNGOM壓縮冷氮?dú)庥挽F的冷卻方式能有效改善TiN/TiC/TiN涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損情況，從而延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
6.2 PCD刀具
在PCD刀具切削加工鈦合金的過(guò)程中，刀具磨損機(jī)理主要為磨粒磨損與粘結(jié)磨損，由圖11可見(jiàn)，隨著切削速度的增加，前刀面發(fā)生剝落，后刀面出現(xiàn)溝槽磨損并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇竺娣e的崩刃現(xiàn)象。
圖11 不同切削速度下PCD刀具前、后刀面磨損情況
Nabhani F.等通過(guò)TA48鈦合金的高速車(chē)削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削溫度高于760℃和900℃時(shí)，PCD刀具與工件材料之間會(huì)發(fā)生明顯的冷焊。而對(duì)于在切削過(guò)程中PCD刀具所出現(xiàn)的擴(kuò)散磨損，Su H.H.等通過(guò)高速切削TA15鈦合金的試驗(yàn)進(jìn)行了研究。Rosemar B.Da Silva等通過(guò)車(chē)削Ti6Al4V鈦合金試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)冷卻液，在高壓冷卻液下高速切削鈦合金時(shí)，PCD刀具壽命增加了9~21倍，且在較低切削速度下采用20.3MPa高壓冷卻液時(shí)，刀具性能更好。
Schrock D.J.等通過(guò)對(duì)高速車(chē)削Ti-6Al-4V時(shí)PCD刀具磨損情況的分析發(fā)現(xiàn)，在vc=61m/min時(shí)，前刀面出現(xiàn)扇形斷裂磨損；在vc=122m/min時(shí)，觀察到了光滑的月牙洼磨損。認(rèn)為前刀面不均勻扇形磨損的出現(xiàn)是由于工件材料中含有較多的α相。而月牙洼磨損的出現(xiàn)則是由于工件中α相轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;相且再結(jié)晶現(xiàn)象增加所致。Pretorius C.J.等在使用PCD刀具高速精加工Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo時(shí)發(fā)現(xiàn)，刀具壽命（最長(zhǎng)80min）會(huì)隨著PCD晶粒尺寸的增大而增長(zhǎng)。而當(dāng)晶粒尺寸超過(guò)14μm后，再進(jìn)一步增加晶粒尺寸會(huì)對(duì)刀具壽命產(chǎn)生不利影響。使用超粗級(jí)（約為39μm）PCD刀具加工時(shí)，刀具僅在8min后就出現(xiàn)碎裂和邊緣斷裂。
6.3 CBN刀具
研究發(fā)現(xiàn)，切削加工Ti6Al4V鈦合金時(shí)，影響PCBN刀具壽命的因素由大到小依次是背吃刀量、切削速度和進(jìn)給量，在高切削速度、低進(jìn)給量、低背吃刀量條件下的刀具壽命更長(zhǎng)。其中進(jìn)給量對(duì)PCBN刀具的前刀面損壞影響最大，切削深度對(duì)后刀面的損壞影響最大，并且在切削深度達(dá)到某種程度后，后刀面會(huì)出現(xiàn)溝槽磨損。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)前刀面主要為刃口崩刃，后刀面則會(huì)由于微崩破損產(chǎn)生不均勻的深溝槽磨損（見(jiàn)圖12）。
圖12 PCBN刀具的磨損形態(tài)
由于CBN刀具具有高硬度和高熔點(diǎn)的特點(diǎn)，可以承受切削加工鈦合金時(shí)所產(chǎn)生的高溫高壓，因此，比較適合用于鈦合金的切削加工。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類(lèi)的CBN刀具性能差異很大。Ezugwu E.O.等對(duì)高速車(chē)削Ti6Al4V鈦合金時(shí)不同等級(jí)的CBN刀具性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，T1級(jí)CBN刀具(50% CBN，50% TiC ceramic)性能最好，T2(90% CBN，10% Al ceramic)和T3(90% CBN，10% Al ceramic，coated)次之。但是單從刀具壽命來(lái)看，這幾種刀具都不如未涂層硬質(zhì)合金刀具（T4）的使用壽命長(zhǎng)，不過(guò)卻能帶來(lái)較好的表面質(zhì)量。使用T1和T4刀具進(jìn)行加工時(shí)出現(xiàn)前刀面磨損；而在使用T2和T3刀具加工時(shí)出現(xiàn)溝槽磨損以及崩刃現(xiàn)象。Wang Z.G.等采用無(wú)粘結(jié)劑立方氮化硼刀具（BCBN）對(duì)Ti6Al4V鈦合金進(jìn)行了高速銑削試驗(yàn)，提出不均勻的后刀面磨損是BCBN刀具的主要磨損形式，刀具壽命會(huì)隨著切削深度和進(jìn)給速度的增加而降低。李甜甜等的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著切削溫度的升高，PCBN刀具的粘結(jié)磨損程度增大，刀具表面將產(chǎn)生越來(lái)越嚴(yán)重的氧化磨損，機(jī)械疲勞與熱疲勞是刀具產(chǎn)生破損的主要原因。
7、研究的不足以及未來(lái)發(fā)展方向
7.1 研究的不足
通過(guò)對(duì)上述研究結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)目前的研究還存在以下問(wèn)題：
(1)鈦合金鋸齒形切屑的形成機(jī)理仍然存在爭(zhēng)議，同時(shí)ASB內(nèi)部的組織演化機(jī)制非常復(fù)雜，不同切削條件會(huì)對(duì)ASB內(nèi)微觀組織形態(tài)產(chǎn)生較大影響，使得其研究較為困難。
(2)鋸齒形切屑的形成必然會(huì)引起切削力的周期性波動(dòng)，同時(shí)影響已加工表面質(zhì)量。但目前對(duì)鋸齒形切屑研究主要集中在定性分析和定量表征方面，尚無(wú)關(guān)于鋸齒形切屑、切削力與表面粗糙度之間內(nèi)在聯(lián)系的具體研究。
(3)在切削力方面雖然進(jìn)行了大量研究并取得了一定成果，但試驗(yàn)結(jié)論并不一致，且其中關(guān)于切削力的研究大多是集中在靜態(tài)切削力方面，對(duì)于鋸齒形切屑引起的周期性動(dòng)態(tài)切削力的研究較少。
(4)在切削溫度測(cè)量時(shí)，盡管使用輻射法對(duì)切削溫度進(jìn)行測(cè)溫時(shí)能夠較好的獲得切削溫度，但只能得到工件及切屑的表面溫度，而不能得到整個(gè)切削區(qū)域的溫度分布，更無(wú)法獲得對(duì)刀具磨損具有決定作用的刀-屑接觸界面溫度。
(5)在表面質(zhì)量方面，現(xiàn)有研究大多局限于單一指標(biāo)的變化而缺少全面分析，使得表面質(zhì)量的研究缺乏系統(tǒng)性和一致性。同時(shí)從工件的服役性能來(lái)說(shuō)，表面白層和殘余應(yīng)力的影響更大，對(duì)這方面的研究還有待深入。
(6)在刀具磨損方面，針對(duì)硬質(zhì)合金刀具的研究較多，而對(duì)性能更好PCD和CBN刀具的研究較少，在一定程度上制約了鈦合金的應(yīng)用。
7.2 未來(lái)發(fā)展方向
針對(duì)以上問(wèn)題，應(yīng)從以下方面開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究：
(1)繼續(xù)深入研究鈦合金鋸齒形切屑形成機(jī)理和ASB內(nèi)部演變規(guī)律，揭示大應(yīng)變、高應(yīng)變率下的相變以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制。開(kāi)展切屑變形、切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量的系統(tǒng)研究，揭示鋸齒形切屑和周期性切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量之間的定量關(guān)系。
(2)進(jìn)一步開(kāi)展動(dòng)態(tài)切削力研究，揭示動(dòng)態(tài)切削力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律以及與鋸齒形切屑之間的定量關(guān)系，為切削參數(shù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
(3)開(kāi)展基于非接觸式測(cè)溫法的切削溫度研究，揭示切削溫度隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，同時(shí)結(jié)合有限元仿真建立切削溫度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)切削區(qū)域溫度分布的較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
(4)深入開(kāi)展已加工表面質(zhì)量的系統(tǒng)研究，尤其是加強(qiáng)對(duì)表面白層和殘余應(yīng)力的研究，從提高產(chǎn)品服役性能的角度進(jìn)行工藝優(yōu)化。
(5)在刀具磨損研究方面，一方面通過(guò)對(duì)不同刀具材料切削性能的對(duì)比，優(yōu)選合適的刀具材料。另一方面需要建立刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式，從而更好地指導(dǎo)切削加工工藝的合理制定。
8、結(jié)語(yǔ)
鈦合金由于其優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中，被稱(chēng)作超級(jí)合金材料。但它是一種典型的難加工材料，在切削過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、切削力大、切削溫度高和表面質(zhì)量差等問(wèn)題，給鈦合金零部件的加工制造帶來(lái)較大的困難。雖然高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了鈦合金加工技術(shù)的進(jìn)步，但其在加工機(jī)理方面與傳統(tǒng)切削的較大差異，需開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)鈦合金高速切削加工進(jìn)行大量試驗(yàn)，雖然在一定程度上揭示了高速切削加工機(jī)理，但切削參數(shù)的合理選用以及刀具材料的選擇仍是制約當(dāng)前鈦合金切削加工的瓶頸問(wèn)題。在今后應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展切屑變形、切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量的系統(tǒng)研究，揭示鋸齒形切屑和周期性切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量之間的定量關(guān)系。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)表面白層和殘余應(yīng)力的研究，以便提高鈦合金零部件的服役性能。
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