Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金激光輔助銑削切屑形貌研究

高延峰，肖建華

(南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌 330063)

?

Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金激光輔助銑削切屑形貌研究

高延峰，肖建華

(南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌 330063)

鈦合金被廣泛用于飛機機身、起落架和緊固件的制造中。然而，鈦合金屬于典型的難切削材料，其中鋸齒型切屑的產生是造成其切削困難的主要原因之一。激光輔助切削是一種新興的切削方法，常用于難加工材料的切削中，研究該切削方式下鈦合金切屑形貌對于探明鈦合金激光輔助切削機理，進一步實現其工程化應用具有重要的意義。文章通過實驗研究了兩種常用的鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al在激光輔助切削加工條件下切屑的形貌特征。結果表明，這兩種鈦合金在傳統加工時形成鋸齒型切屑，在相同的工藝參數下激光輔助切削時形成連續型切屑，并隨著切削速度的增加，連續型切屑逐漸轉變為鋸齒型切屑。激光輔助切削條件下，β型鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的絕熱剪切帶消失，α+β型鈦合金Ti-6Al-4V切屑的絕熱剪切帶仍然存在，這意味著Ti-10V-2Fe-3Al合金對溫度的變化更為敏感。

切屑形貌；鈦合金；激光輔助切削

0 引言

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好以及與碳纖維復合材料兼容性好等特性，成為國內外現役以及新一代飛機中廣泛采用的結構材料。然而，獨特的物理和化學特性使得鈦合金成為公認的難切削材料[1-3]。為提高鈦合金的切削效率，近年來人們開始采用激光輔助加熱的方法對鈦合金進行切削。激光輔助切削通過引入高密度的激光熱源對被加工材料的切削部位進行加熱，使該部位的材料受熱軟化，從而可以減小切削力、提高表面質量[4]。然而，在高溫下鈦合金的流變應力和應變強化率會大幅下降，造成激光輔助切削與傳統切削的加工機理明顯不同。

造成鈦合金切削困難的主要原因之一是加工過程中鋸齒型切屑的形成。Wang[5]研究了切削鈦合金時鋸齒型切屑中絕熱剪切帶的形成過程，結果發現絕熱剪切帶的組織強化過程可以分為三個階段：變形強化、晶粒細化和馬氏體相變的強化。Ye[6]建立了高速切削鈦合金Ti-6Al-4V切屑周期性絕熱剪切帶的演化模型，該模型能夠有效的對不同切削速度下切屑的形成過程進行模擬。Sun[7]研究了鋸齒型切屑的演化，結果表明隨著切削速度的增加，切屑的鋸齒化程度增加。

雖然很多學者對鈦合金切屑的形成機理及形貌特征進行了大量的研究，但是關于激光輔助加熱切削方式下鈦合金切屑形態的研究卻很少。本文主要研究了工業上常用的兩種鈦合金材料在激光輔助加熱切削方式下的切屑形貌，這兩種鈦合金材料是Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al。其中， Ti-6Al-4V屬于α+β型鈦合金，是工業上應用最多的一種鈦合金材料，常用來制造飛機的機身、框梁等零件。Ti-10V-2Fe-3Al屬于β型鈦合金，具有高強度和高韌性，常用來制造飛機的起落架和緊固件。本文通過實驗觀察這兩種常用的鈦合金切屑形貌，研究激光輔助加熱切削方式對鈦合金切屑形成的影響。

1 實驗方法

使用機床HASS VF-3YT和 SECO 公司生產的LPHT060310TR硬質合金刀具對兩種鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al在不同的激光功率和不同的切削參數下進行順銑加工。實驗中，進給量保持為1mm/r，切削速度分別為100m/min和150m/min，激光功率分別為1380W和2200W，切削深度為0.5mm。

收集不同切削參數下的切屑并做好標記，利用環氧樹脂AB膠將切屑制成樣本，再使用氫氟酸硝酸水溶液進行腐蝕處理，其腐蝕劑為：5%HF+15%HNO3+80%H2O(體積分數)。最后，使用金相顯微鏡XJP-6A對切屑進行觀察。

2 結果和討論

2.1 α+β型鈦合金Ti-6Al-4V的切屑

傳統切削和激光輔助切削鈦合金Ti-6Al-4V切屑的微觀形貌如圖1所示。從圖1a中可以觀察到在傳統切削方式下切屑呈現典型的鋸齒形，并且在齒根處出現裂縫。從圖1c中可見，當切削速度為150m/min時齒距比切削速度為100m/min時更均勻和有規律。從圖1b和圖1d可見，在激光輔助切削方式下呈現出從鋸齒型切屑逐漸過渡為連續型切屑的特征，并且隨著激光功率的增加，鋸齒的寬度變小，裂縫逐漸消失。這是因為激光束使被加工材料表面的溫度升高，切削部位的材料熱軟化，材料的硬度降低。

(a)傳統切削，V=100m/min (b)激光輔助切削，P=1380W，

(c)傳統切削，V=150m/min (d)激光輔助切削，P=2200W，

圖1表明，在激光輔助加熱條件下，Ti-6Al-4V合金的切屑呈現出一種過渡狀態，即從無規律的鋸齒型切屑轉變為連續型切屑。當切削速度為100m/min，激光功率為1380W時，鋸齒型切屑齒高和齒間的寬度沒有規律且比較小。當切削速度為150m/min，激光功率為2200W時，鋸齒型切屑轉變為連續型。這是因為隨著切削速度的增加，切削過程中產生大量的切削熱，并在更高的激光功率下，使被加工材料的溫度更高，切削部位的材料熱軟化，不再發生絕熱剪切現象，從而形成連續型切屑。

2.2 β型鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al的切屑

β型鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的微觀形貌如圖2所示。從圖中可以清楚的觀察到在傳統切削方式下鋸齒形切屑的形成，當切削速度為100m/min時可以清晰地看到切屑中的絕熱剪切帶，如圖2a所示。當切削速度增加到150m/min時，絕熱剪切帶變窄并且剪切帶的頻率升高，如圖2c所示。

(a)傳統切削，V=100m/min (b)激光輔助切削，P=1380W，

(c)傳統切削，V=150m/min (d)激光輔助切削，P=2200W，

在激光輔助加熱切削的條件下，β型鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的形貌如圖2b和圖2d所示。當切削速度為100m/min時，切屑呈現出小的鋸齒形特征并且絕熱剪切帶消失。與傳統切削(圖2a和圖2c)相比較，還可以觀察到切屑的齒高較小和齒寬較大。當切削速度為150m/min時，切屑形成了有規律的鋸齒狀， 這也許是因為鋸齒型切屑的形成與材料的應變率和熱軟化有關，隨著切削速度的增加，應變率的增加比材料的熱軟化快，從而導致了高速切削時有規律的鋸齒型切屑產生。但是，并未形成絕熱剪切帶，在激光輔助加熱切削時絕熱剪切帶的消失表明了被加工材料的軟化和加工性能的改善。

2.3 激光輔助切削對絕熱剪切帶的影響

在加工鈦合金時一個典型的特征就是絕熱剪切帶的產生。切屑絕熱剪切帶微觀形貌經放大后如圖3所示。圖3a和圖3b分別為傳統切削和激光輔助切削條件下α+β型鈦合金Ti-6Al-4V切屑的微觀結構，從圖中可以看到在不同加工條件下均有絕熱剪切帶形成，并且在激光輔助加熱切削下剪切帶的寬度更大。圖3c和圖3d分別為傳統切削和激光輔助加熱切削條件下β型鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的微觀結構，從圖中可以看到在傳統切削條件下形成了絕熱剪切帶，而在激光輔助切削條件下絕熱剪切帶則消失不見。這種現象表明β型鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al對溫度變化的影響比α+β型鈦合金Ti-6Al-4V更為敏感。

(a)Ti-6Al-4V，傳統切削 (b)Ti-6Al-4V，激光輔助切削

(c)Ti-10V-2Fe-3Al, 傳統切削 (d)Ti-10V-2Fe-3Al,激光輔助切削

在傳統切削鈦合金Ti-6Al-4V時，鋸齒形切屑的形成主要由材料的絕熱剪切引起。絕熱剪切帶通常稱為熱塑性失穩，被用來解釋熱軟化率超過應變強化率這一物理現象，這表明了溫度升高是連續型切屑形成的主要因素。當激光輔助切削時，激光使被加工材料軟化，因此降低了材料的屈服強度。當被加工材料的屈服強度降低到某一程度后，連續型切屑形成。當切削速度增加時，激光束與材料接觸的時間減短，被加工材料的溫度降低。因此，在第一剪切區域內材料不能產生大應變，由于鈦合金材料的導熱性差，產生絕熱剪切現象，從而使連續型切屑轉變成鋸齒型切屑。

3 結論

(1) 在傳統切削條件下，β型Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金切屑存在非常明顯的絕熱剪切帶。隨著切削速度的增加，剪切帶的頻率升高，并且高于相同切削參數下α+β型鈦合金Ti-6Al-4V的切屑，這也表明了β型鈦合金材料的加工性能差。

(2) 在激光輔助切削條件下，鈦合金切屑呈現出從鋸齒型向連續型過渡的特征。并且， 鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的絕熱剪切帶消失， 鈦合金Ti-6Al-4V切屑的絕熱剪切帶仍然存在，這表明Ti-10V-2Fe-3Al合金對溫度的變化更為敏感。

[1] M Rahman, Y S Wong, A R Zareena. Machinability of titanium alloys [J]. JSME International Journal Series C, 2003, 46(1): 107-115.

[2] 劉麗娟，呂明，武文革，等. 高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V切屑形態試驗研究[J]. 機械工程學報，2015, 53(3):196-205.

[3] 陳五一，袁躍峰. 鈦合金切削加工技術研究進展[J]. 航空制造技術, 2010(15): 26-30.

[4] 吳雪峰,王揚. 激光加熱輔助切削技術及研究進展[J]. 哈爾濱理工大學學報，2012, 17(4): 34-45.

[5] Shengping Wang.Investigation on Microstructure of Adiabatic Shear Band of Saw-tooth Chip in Machining TC4 Alloy[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(9):1117-1121.

[6] G G Ye.Modeling periodic adiabatic shear band evolution during high speed machining Ti-6Al-4V alloy[J].International Journal of Plasticity, 2013, 40:39-55.

[7] S SUN, M BRANDT,M S DARGUSCH.The Effect of a Laser Beam on Chip Formation during Machining of Ti6Al4V Alloy[J]. Metals and Materials Society and ASM International, 2010, 41:1573-1581.

(編輯 李秀敏)

Chip Morphologies during Laser Assisted Machining of Ti-10V-2Fe-3Al and Ti-6Al-4V Alloys

GAO Yan-feng, XIAO Jian-hua

(National Defense Key Disciplines Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology，Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063,China)

Titanium alloys are widely used in the manufacturing of fuselage, landing gear and fastener of aircraft. However, titanium alloy is a kind of the typical hard-to-cutting materials. One typical feature in the machining of titanium alloys is the forming of saw-tooth chip, which is a major reason to cause the hard-to-cutting of titanium alloys. Laser assisted machining (LAM) is an emerging manufacturing process developed in recent years and applied widely in the machining of hard materials. It is very important to study the chips morphology in order to understand the mechanism of the titanium alloys machining under LAM condition and its further applying in the manufacturing. The chips morphology of two types titanium alloys, Ti-10V-2Fe-3Al and Ti-6Al-4V, are analyzed in this paper. Experiments results show that the saw-tooth chips formed during conventional machining. However, during LAM machining the continuous chips are formed under the same cutting parameters. During LAM machining, with the increasing cutting speed, the continuous chips gradually transform to the saw-tooth chips due to the laser beam interaction time become shorter. The impacts of laser beam on the shear bands also investigated. The experiments show that under LAM machining, the shear bands of Ti-10V-2Fe-3Al are disappeared, but the shear bands of Ti-6Al-4V alloy are still exist under the same machining parameters. It is means that the Ti-10V-2Fe-3Al alloy more sensitive to the change of temperature.

chip morphology; titanium alloy; laser assisted machining

1001-2265(2016)10-0029-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.008

2015-01-24

高延峰(1974—)，男，河北邯鄲人，南昌航空大學副教授，博士，研究方向數控加工技術、機器人技術，(E-mail)gyf_2672@163.com。

TH142;TG115.28

A