Ti40阻燃鈦合金切屑形成和銑削力波動(dòng)特性研究＊

呂東升 王保升 侯軍明

（南京工程學(xué)院智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 南京 211167）

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比要求的不斷提高，其工作溫度不斷上升。例如，推重比10的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)出口溫度已經(jīng)達(dá)到500～600 ℃；在此條件下，普通TC4鈦合金材料在高溫下經(jīng)受高速摩擦?xí)r可能起火燃燒，引發(fā)“鈦火”?！扳伝稹比紵龝r(shí)間短，僅為4～20 s，且難以采取有效的滅火措施，容易發(fā)生災(zāi)難性事故。有鑒于此，近年來，我國成功研制了Ti40阻燃鈦合金（名義成分為Ti-25V-15Cr-0.25Si）。Ti40阻燃鈦合金是一種高穩(wěn)定β相鈦合金，可在500 ℃ 長期使用，現(xiàn)階段主要用于我國先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)匣等部件。

Ti40阻燃鈦合金具有較好的阻燃性能，但是它是一種典型的難加工材料。本項(xiàng)目組在前期的研究中發(fā)現(xiàn)[1-6]，同等條件下，與普通鈦合金（如TC4）相比，阻燃鈦合金在切削過程中，切削變形更加復(fù)雜，切削溫度更高，切削力更大且波動(dòng)加劇，使得刀具磨損十分嚴(yán)重，并降低工件加工質(zhì)量，是學(xué)術(shù)界與企業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。

鈦合金在切削過程中通常形成鋸齒形切屑。鋸齒形切屑的形成和切削力對鈦合金加工中的刀具磨損和工件加工質(zhì)量都有很大的影響。而鋸齒形切屑的形成過程又對切削力有著直接的作用和影響。因此，研究鋸齒形切屑的形成機(jī)理及其對切削力的影響規(guī)律，對深刻理解鈦合金的切削加工過程進(jìn)而提高對鈦合金加工規(guī)律的認(rèn)識有著重要的幫助。關(guān)于鋸齒形切屑形成機(jī)理及其對切削力的影響得到了許多學(xué)者的關(guān)注[7-12]。Sun S等[7]經(jīng)對比研究發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金鋸齒形切屑形成中車削力產(chǎn)生了周期性波動(dòng)，且車削力波動(dòng)頻率與鋸齒形切屑形成頻率一致。Sun J F 等[8]深入研究了 Ti6.5AL2Zr1Mo1V 鈦合金在高速車削中鋸齒形切屑形成中材料不穩(wěn)定性與其微觀組織結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系。Tamás G M等[9]研究了切削力受到切屑厚度變化，切削方向波動(dòng)及加工表面波度的作用和影響。Zhang S等[10]的研究結(jié)果表明在車削Inconel 718鎳基合金過程中，鋸齒形切屑直接導(dǎo)致了切削力波動(dòng)。Cui X B等 (2016)[11]通過觀測切屑形態(tài)認(rèn)為鋸齒形切屑的形成導(dǎo)致切削厚度周期性變化，這對切削力、切削溫度和刀具應(yīng)力波動(dòng)都有著周期性影響。Sharma S等[12]認(rèn)為Ti6Al4V鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致了高速加工中切屑的絕熱剪切失穩(wěn)，切削力的波動(dòng)源自鋸齒形切屑的形成，高速加工時(shí)絕熱剪切的頻率高于切削力的波動(dòng)頻率。目前普遍認(rèn)為鋸齒形切屑的周期性形成是切削力波動(dòng)的主要原因，絕熱剪切頻率與切削力波動(dòng)頻率相一致。目前的研究主要是利用對鋸齒形切屑形成頻率和切削力波動(dòng)頻率的觀察和計(jì)算來分析二者的關(guān)系對應(yīng)與否，缺乏切削過程中切削力波動(dòng)機(jī)理全面的分析研究。

本文通過切削實(shí)驗(yàn)得到Ti40鈦合金鋸齒形切屑的金相圖片和銑削力，研究切屑形成及銑削力波動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，揭示鋸齒形切屑的形成機(jī)理及銑削力波動(dòng)機(jī)理，分析鋸齒形切屑及銑削力波動(dòng)形成的相互關(guān)系。

1 切屑形態(tài)及形成機(jī)理

實(shí)驗(yàn)在XS5040立式銑床上進(jìn)行。選用機(jī)夾式Ti(C,N)-Al2O3復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀片（SECO公司生產(chǎn)），型號：XOEX120431R-M07。刀具前角20°，后角14°，刀尖圓弧半徑3.1 mm，刀桿直徑25 mm。所有試驗(yàn)采用單齒、順銑。側(cè)銑時(shí)，固定每齒進(jìn)給量fz=0.1 mm/z，徑向切寬ae=1 mm，軸向切深ap=3 mm，銑削速度v=20～120 m/min。端銑時(shí)，固定每齒進(jìn)給量fz=0.1 mm/z，徑向切寬ae=25 mm，軸向切深ap=1.5 mm，銑削速度v=30 m/min。通過三維視頻顯微鏡（型號KH7700）觀察切屑的微觀形貌如圖1、圖2所示，切屑由剪切變形帶和切屑鋸齒分節(jié)組成，切屑的絕熱剪切帶位于相鄰鋸齒之間，分布呈現(xiàn)一定的周期性，但鋸齒形狀不規(guī)則，鋸齒大小規(guī)律性不強(qiáng)。從圖1、圖2切屑的金相圖片可以看到剪切變形發(fā)生在整個(gè)晶粒內(nèi)部，晶粒內(nèi)部生成多條細(xì)窄剪切帶，剪切帶之間生成眾多亞結(jié)晶顆粒。同時(shí)，從圖1b～e和圖2剪切帶內(nèi)及切屑底部可以看到有隱約可見細(xì)小的點(diǎn)狀形態(tài)，這些點(diǎn)狀微晶粒即為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶顆粒。這是由于剪切帶內(nèi)及刀屑接觸區(qū)域在局域化剪切變形過程中，由于溫度更高應(yīng)變更大，剪切帶內(nèi)及切屑底部積蓄的熱量導(dǎo)致溫度急劇上升，超過材料的再結(jié)晶溫度，為再結(jié)晶的發(fā)生提供了溫度條件，細(xì)化成多個(gè)微晶粒。根據(jù)研究[13]，金屬合金材料的再結(jié)晶溫度在0.4～0.5Tm，通過式（1）～（3），根據(jù)切削力、銑削用量和材料特性等可計(jì)算出剪切帶的溫度。經(jīng)計(jì)算，在切削速度60 m/min和端銑時(shí)，絕熱剪切帶的溫度已經(jīng)達(dá)到0.4～0.5Tm，即達(dá)到了Ti40材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度（548～685 ℃），Ti40 鈦合金熔點(diǎn)Tm為 1 370 ℃。

圖2 Ti40阻燃鈦合金端銑時(shí)切屑形貌及其金相組織（v=30 m/min）

側(cè)銑時(shí)，不同銑削速度下，切屑的形態(tài)發(fā)生了不同的變化。銑削速度為20 m/min時(shí), 切屑橫截面顯示出形成了大量塑性剪切變形帶，形成連續(xù)的微小鋸齒狀切屑，切屑鋸齒狀不明顯，內(nèi)部組織呈現(xiàn)剪切滑移變形帶，如圖1a所示。這是由于切削溫度較低，熱量的影響較小，剪切帶內(nèi)的材料只存在一定塑性變形的形變帶。隨著銑削速度提高，切削溫度上升，切屑鋸齒狀特征和絕熱剪切帶更加明顯，剪切帶內(nèi)伴隨著再結(jié)晶的出現(xiàn)。例如，當(dāng)銑削速度增加到60 m/min時(shí)，Ti40阻燃鈦合金開始形成明顯的鋸齒狀切屑，如圖1b所示，此時(shí)通過三維視頻顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，剪切帶內(nèi)的材料產(chǎn)生了顯著變形，且高度集中化，形成了大量剪切變形帶并生成了一定量的亞晶粒。從理論上講，順銑時(shí)切屑厚度變化應(yīng)該是按照規(guī)律從大逐漸變小。而實(shí)際上切屑在切入初期階段，切屑厚度發(fā)生了幾次突變，形成幾個(gè)顯著鋸齒，之后，切屑厚度按照正常規(guī)律變化。

圖1 側(cè)銑時(shí)銑削速度對Ti40阻燃鈦合金切屑微觀形貌的影響

當(dāng)銑削速度增加到v=80 m/min時(shí)，切屑內(nèi)部開始出現(xiàn)集中變形、規(guī)則分布的剪切帶，如圖1c所示。當(dāng)銑削速度增加到v=100 m/min時(shí)，切削溫度迅速提高，熱量在剪切帶內(nèi)積累，形成了大量再結(jié)晶構(gòu)成的絕熱剪切帶。可以明顯觀察到此時(shí)的剪切帶材料組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，原來粗大的晶粒在熱量和應(yīng)變的共同作用下得到細(xì)化，如圖1d所示。與Ti40阻燃鈦合金基體粗大的等軸狀晶粒相比，絕熱剪切帶內(nèi)晶粒非常細(xì)小，金相組織由低位錯(cuò)密度的等軸晶粒構(gòu)成，呈現(xiàn)明顯再結(jié)晶特征。

進(jìn)一步增大銑削速度到v=120 m/min時(shí)，切屑內(nèi)部剪切滑移更明顯，節(jié)塊被拉長，節(jié)塊之間的距離加大，如圖1e所示。這是由于切屑材料的應(yīng)變量隨切削速度增加而增大，切削溫度隨切削速度增大而升高，熱影響區(qū)域變大，發(fā)生絕熱剪切的區(qū)域也隨之增大。同時(shí)，由于熱軟化作用，剪切帶內(nèi)的集中剪切變形可以在更小的剪切力下發(fā)生，導(dǎo)致剪切帶與其周圍材料之間的作用力不足以使節(jié)塊過渡區(qū)域產(chǎn)生較大的塑性變形。

可以看出，銑削速度對Ti40阻燃鈦合金切屑鋸齒化程度有明顯的影響。研究切屑鋸齒化程度時(shí)，通常使用切屑鋸齒高度H減去鋸齒底部高度h（圖1d）的值后與鋸齒高度H的比值來定量表示變形程度。

式中：H表示鋸齒高度；h表示鋸齒底部與切屑底部的距離。

Ti40阻燃鈦合金切屑鋸齒化程度隨切削速度的變化規(guī)律如圖3所示。銑削速度在60 m/min以下時(shí)，切屑鋸齒狀不是很規(guī)則。當(dāng)銑削速度達(dá)到80 m/min時(shí)，鋸齒化程度為0.28，形成了較為明顯的鋸齒；切削速度進(jìn)一步提高到100 m/min和120 m/min時(shí)，鋸齒化程度進(jìn)一步增加為0.32和0.41。鋸齒化程度的加劇，意味著切屑厚度和瞬時(shí)切削體積發(fā)生更大地突變，也更容易導(dǎo)致切削力的波動(dòng)。

圖3 銑削速度對鋸齒化程度的影響

端銑時(shí)（速度 30 m/min, 徑向切寬 25 mm, 軸向切深 1.5 mm, 每齒進(jìn)給量 0.1 mm）, 由于切削速度低，切屑有足夠的時(shí)間剪切變形，可以看到切屑自由表面上有大量微鋸齒和明顯的微裂紋產(chǎn)生，每個(gè)微鋸齒對應(yīng)有相應(yīng)的剪切帶，這些微鋸齒很可能是切削中，刀具-工件劇烈振動(dòng)給切屑帶來沖擊而形成。與Ti6Al4V切屑內(nèi)部絕熱剪切發(fā)生在晶粒之間不同，由于Ti40合金晶粒尺寸在100～150 μm，因此晶粒內(nèi)部生成多條剪切帶，且在剪切帶周圍可以發(fā)現(xiàn)形成了大量亞結(jié)晶顆粒，如圖2所示。

關(guān)于鋸齒形切屑和絕熱剪切的形成機(jī)理，目前主要認(rèn)為是周期脆性斷裂理論與絕熱剪切兩種理論。圖1顯示銑削速度在30～120 m/min側(cè)銑時(shí)Ti40鈦合金切屑橫截面金象組織。可以看到，切屑內(nèi)部出現(xiàn)大量剪切變形帶，剪切帶寬度在10～20 μm。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)切屑剪切帶邊緣有很多微裂紋。因此，通過切屑金相圖片分析可以認(rèn)為在切削過程中同時(shí)存在絕熱剪切與周期性斷裂，Ti40鈦合金切屑形成機(jī)理為絕熱剪切及周期性斷裂2種方式。

2 銑削力波動(dòng)機(jī)理與切屑形成對應(yīng)關(guān)系的探討

在銑削Ti40阻燃鈦合金過程中，機(jī)床-刀具-工件有明顯的劇烈振動(dòng)，從圖4和圖5可以觀測到銑削力波動(dòng)幅度較大。根據(jù)Sun S 等人[7]的研究結(jié)果，銑削力的波動(dòng)對應(yīng)著絕熱剪切帶的形成，波動(dòng)頻率也與絕熱剪切頻率相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)Ti40阻燃鈦合金銑削力的波動(dòng)與顯著鋸齒形切屑相對應(yīng)，但并不與每一絕熱剪切帶形成相對應(yīng)，或者說與切屑厚度（瞬時(shí)銑削體積）突變相對應(yīng)。例如，側(cè)銑銑削速度為60 m/min時(shí)，(絕熱剪切頻率約80 kHz)，從圖5中可以看出銑削力波峰共有4次波動(dòng)，波動(dòng)周期為0.002 5 s左右（即波動(dòng)頻率 400 Hz）,觀測此時(shí)的切屑形態(tài)如圖4中所示，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)切屑恰有4個(gè)顯著性鋸齒形切屑形成。同理，端銑銑削力如圖5所示，觀測端銑切屑形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，共有160個(gè)左右顯著鋸齒形切屑形成，銑削力波動(dòng)160次左右，二者幾乎完全對應(yīng)。圖5中ABC部分顯示FX方向上的1次銑削力波動(dòng)，可以認(rèn)為當(dāng)銑削力由A升高到B時(shí)，此時(shí)對應(yīng)著1次切削厚度的突然變大，當(dāng)銑削力由B突然降低到C時(shí)，對應(yīng)著切削厚度的1次由大變小，即對應(yīng)著1個(gè)鋸齒形切屑的形成。同時(shí)，從切屑自由表面也可以觀測到眾多鋸齒形切屑的形成。

圖4 Ti40 鈦合金側(cè)銑力 (v=60 m/min, ap=3 mm,ae=1 mm, fz=0.1 mm )

圖5 Ti40 鈦合金端銑銑削力 (v=30 m/min, ap=1.5 mm,ae=25 mm, fz=0.1 mm )

如圖6所示，在a、b、c、d、e線間為鋸齒形切屑，其間距在200 μm左右，經(jīng)計(jì)算其形成頻率與銑削力波動(dòng)頻率基本相對應(yīng)。從圖6還可以觀察到a、 b、c、d、e線間存在著大量剪切帶，其剪切頻率明顯高于銑削力波動(dòng)頻率。因此，可以得出，顯著鋸齒形切屑的形成直接影響著切削力的波動(dòng)。剪切帶的形成未必會導(dǎo)致切削力的波動(dòng)，但是，顯著鋸齒形切屑的形成會導(dǎo)致切屑厚度的突變或者切削體積的突變，進(jìn)而直接導(dǎo)致切削力的波動(dòng)。

圖6 切屑外表面及鋸齒狀毛邊形貌 (v=30 m/min, ap=1.5 mm,ae=25 mm, fz=0.1 mm )

切屑絕熱剪切頻率計(jì)算公式如下，其中v為切削速度，w為相鄰絕熱剪切帶之間的距離，fchip為切屑絕熱剪切頻率。

銑削力波動(dòng)頻率可由公式（6）計(jì)算得出，其中t為銑削力每次波動(dòng)時(shí)間。

3 銑削力波動(dòng)機(jī)理分析

結(jié)合切削實(shí)驗(yàn)得到切屑的金相圖片和銑削力結(jié)果，分析鋸齒形切屑的微觀組織形態(tài)和銑削力波動(dòng)特征及其機(jī)理。研究認(rèn)為，銑削力波動(dòng)一方面是由于切削厚度不均和振動(dòng)導(dǎo)致的切削方向突變引起的，另一方面是由于鋸齒形切屑的形成給銑削力帶來沖擊而引起。

3.1 振動(dòng)導(dǎo)致的切削方向發(fā)生改變

由于鈦合金彈性模量小，在切削時(shí)存在明顯的回彈現(xiàn)象，因此本文主要考慮進(jìn)給方向的振動(dòng)給切削力和切屑形態(tài)帶來的影響。當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，在進(jìn)給方向上的振動(dòng)速度設(shè)為Z，實(shí)際切削速度v方向發(fā)生了改變，與名義切削速度方向之間的夾角為Δα，示意圖如圖7所示，其計(jì)算方法見式（7）；此時(shí)，刀具切削前角也發(fā)生了變化，實(shí)際變?yōu)棣粒溆?jì)算方法見式（8）；切屑厚度實(shí)際變?yōu)閔*，其計(jì)算方法見式（9）。

圖7 銑削時(shí)剪切力示意圖

根據(jù)lee和Shaffer提出的滑移線場切削模型和剪切角理論公式，當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，剪切角也發(fā)生了波動(dòng)，見式（10）。

理想情況下切削時(shí)，幾何示意圖如圖8a所示，剪切區(qū)長度的計(jì)算方法見式（11）；當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，幾何示意圖如圖8b所示，剪切區(qū)長度發(fā)生變化，其計(jì)算方法見式（12）。

圖8 切削幾何示意圖

當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，摩擦角也發(fā)生變化，其計(jì)算方法見式（13）、（14）。

根據(jù)剪切力Fs計(jì)算公式（15），切削合力計(jì)算公式（16），Y方向和Z方向上的切削力公式（17），切向力和進(jìn)給力公式（18）、（19）[14]，當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，切削方向發(fā)生改變，由于剪切角、剪切長度、切削前角、切屑厚度和摩擦角發(fā)生了變化，銑削力相應(yīng)地發(fā)生了波動(dòng)變化。

3.2 絕熱剪切引起

考慮絕熱剪切給切削力帶來的影響，當(dāng)絕熱剪切發(fā)生時(shí)，熱軟化效應(yīng)顯著超過加工硬化效應(yīng)，切屑自由表面生成微裂紋，剪切帶內(nèi)剪切應(yīng)力明顯下降，同時(shí)剪切區(qū)長度l變小，切削力下降，形成切削力波動(dòng)波谷；隨后，刀刃繼續(xù)向前推進(jìn)，加工硬化效應(yīng)超過熱軟化效應(yīng)，剪切應(yīng)力明顯上升，剪切區(qū)長度l變大，切削力上升，形成切削力波動(dòng)波峰，直到下一個(gè)絕熱剪切帶形成，切削力又下降，這樣周而復(fù)始，形成了銑削力的周期性波動(dòng)。Ti40阻燃鈦合金絕熱剪切發(fā)生時(shí)，會生成微小鋸齒形切屑以及顯著鋸齒形切屑，微小鋸齒形切屑給銑削力帶來的波動(dòng)影響較小，顯著鋸齒形切屑給銑削力帶來的波動(dòng)影響較大。

4 結(jié)語

（1）Ti40阻燃鈦合金在切屑形態(tài)上，表現(xiàn)為晶粒內(nèi)部生成了大量絕熱剪切帶，切屑厚度呈不規(guī)則變化，形成的鋸齒形切屑表面上有大量微鋸齒和明顯的微裂紋產(chǎn)生，隨著切削速度升高，絕熱剪切帶形成頻率提高，顯著鋸齒形切屑形成，剪切變形帶之間生成的亞晶粒數(shù)量顯著增加和細(xì)化，在高速側(cè)銑及端銑時(shí)剪切帶內(nèi)及切屑底部發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

（2）在銑削力上，Ti40阻燃鈦合金銑削力在波峰上發(fā)生了顯著波動(dòng)，波動(dòng)次數(shù)及波動(dòng)幅度大小與顯著鋸齒形切屑形成相對應(yīng)，或者說與瞬時(shí)銑削體積變化相對應(yīng)；Ti40阻燃鈦合金銑削力的波動(dòng)與顯著鋸齒形切屑相對應(yīng)，但并不與每一絕熱剪切帶形成相對應(yīng)。

（3）銑削力波動(dòng)是由于振動(dòng)導(dǎo)致切削方向發(fā)生改變、切削厚度不均和鋸齒形切屑形成過程中發(fā)生絕熱剪切等多因素綜合引起的。當(dāng)進(jìn)給方向發(fā)生振動(dòng)時(shí)，切削速度方向發(fā)生改變，切屑厚度、切削前角、剪切角、剪切區(qū)長度和摩擦角均發(fā)生變化，銑削力因而發(fā)生波動(dòng)。鋸齒形切屑和絕熱剪切帶的形成引起了剪切應(yīng)力、剪切區(qū)長度瞬時(shí)變化，從而導(dǎo)致銑削力的波動(dòng)。