微織構(gòu)刀具切削鈦合金的研究進(jìn)展

唐聯(lián)耀 唐玲艷 李鵬南 邱新義

（1 廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，東莞 523083）

（2 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）

文 摘 針對(duì)鈦合金切削加工過程中切削力大、切削溫度高和刀具磨損嚴(yán)重等問題，近年學(xué)者們嘗試采用微織構(gòu)刀具來(lái)解決。本文綜述了微織構(gòu)刀具在鈦合金切削加工中的應(yīng)用，分析了微織構(gòu)刀具在改善表面質(zhì)量，降低切削力、刀具磨損、摩擦因數(shù)和切削溫度等方面的切削機(jī)理，并指出微織構(gòu)刀具切削鈦合金存在的問題。

0 引言

鈦及其合金具有高比強(qiáng)度、耐腐蝕、抗蠕變、耐高溫等優(yōu)良性能，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。但鈦合金熱導(dǎo)率低、切削溫度高，導(dǎo)致刀具快速磨損，最終影響刀具壽命，因此鈦合金的切削加工成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)［3-4］。使用切削液是減少刀具磨損的方法之一。切削液可以減少刀-屑界面之間的摩擦，進(jìn)而降低溫度，提高刀具壽命。但隨著切削液的不斷使用，對(duì)環(huán)境和人體健康都有不利影響［5］。而且，處理切削液非常困難，回收成本高。由于這些負(fù)面影響，現(xiàn)階段研究主要集中在盡量減少或完全避免切削液在加工過程中的使用［6］。

因此，干切削的概念在近年來(lái)變得非常流行。干切削是不使用切削液的切削，是一種清潔切削方式，具有無(wú)污染、無(wú)傷害、無(wú)任何處置問題等優(yōu)點(diǎn)［7-8］。同時(shí)，干切削也存在一些缺點(diǎn)，如刀-工和刀-屑界面摩擦和附著力大，從而使溫度升高，最終導(dǎo)致刀具壽命降低［9-11］。干切削過程中易發(fā)生塑性變形、顆粒磨損和粘結(jié)磨損等［12］。

通過開發(fā)新的刀具材料、表面織構(gòu)、改善刀具幾何形狀和涂層等技術(shù)，可以克服上述干切削中的問題。其中，表面織構(gòu)是一種很有潛力的方法，此方法可以通過改善表面摩擦學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的加工。在微尺度范圍內(nèi)生成表面織構(gòu)有助于提高刀具的潤(rùn)滑能力和降低附著力，改善摩擦學(xué)性能［13-14］。因此，切削刀具表面的織構(gòu)化是改善刀-屑界面摩擦和潤(rùn)滑的方法之一。COSTA 等人［15］指出，表面織構(gòu)可以存儲(chǔ)磨損產(chǎn)生的碎屑，從而有助于減小刀-屑界面的摩擦和犁削。因此，近年微織構(gòu)刀具在鈦合金切削中的應(yīng)用得到學(xué)者廣泛關(guān)注。本文綜述了微織構(gòu)刀具在鈦合金切削加工中的應(yīng)用，分析了微織構(gòu)刀具在改善表面質(zhì)量，降低切削力、刀具磨損、摩擦因數(shù)和切削溫度等方面的切削機(jī)理。

1 切削機(jī)理研究

1.1 織構(gòu)對(duì)切削力的影響

鈦合金切削過程中的切削力直接取決于刀具參數(shù)、工件材料參數(shù)和切削參數(shù)。刀具表面微織構(gòu)有助于降低鈦合金切削過程中的切削力［16-24］，最終提高刀具壽命和工件表面粗糙度。

ZE等［16］采用前、后刀面微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具（MoS2固體潤(rùn)滑劑）和傳統(tǒng)刀具干切削Ti-6Al-4V，結(jié)果表明前刀面自潤(rùn)滑刀具的切削力最小，原因是前刀面存在橢圓微槽，可降低刀-屑界面的摩擦因數(shù)。

MA等［18］通過3D切削仿真研究了微孔直徑、微孔深度、邊緣距離（微孔與切削刃的距離）和微孔間距對(duì)切削力的影響。MISHRA等［19］采用有限元和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了微織構(gòu)密度、深度和形狀（圓形、方形、三角形和橢圓形）對(duì)切削力的影響。在干切削中織構(gòu)深度和形狀對(duì)切削力的影響較小，而織構(gòu)面積的影響最大。且在仿真分析中觀察到明顯的二次切削現(xiàn)象，該現(xiàn)象惡化刀具磨損和加工質(zhì)量。LI等［22］研究了三種不同的亞微米尺度織構(gòu)刀具干車削Ti-6Al-4V的切削力，結(jié)果表明，具有與刃口平行的微織構(gòu)刀具的切削力最小，原因在于此類型的微織構(gòu)刀具可以有效減小刀-屑接觸面積和犁削效果。HAO等［23］對(duì)傳統(tǒng)刀具、微槽織構(gòu)刀具和微納織構(gòu)刀具在MQL條件下的切削力進(jìn)行研究，指出與普通刀具和微槽織構(gòu)刀具相比，微納織構(gòu)刀具的切削力最小。

微織構(gòu)在車削刀片上的應(yīng)用最為廣泛，在鉆頭、銑刀上的應(yīng)用剛剛起步。楊樹財(cái)?shù)龋?7］通過3D有限元仿真研究了微織構(gòu)球頭銑刀干銑削TC4的切削力，結(jié)果表明，與普通刀具相比，微織構(gòu)刀具的切削力降低16%。NIKETH等［20］首次嘗試在鉆頭溝槽和刃帶加工微織構(gòu)，研究了Ti-6Al-4V鉆削時(shí)微織構(gòu)鉆頭的軸向力。結(jié)果表明，在v=60 m/min和f=0.07 mm/r時(shí)，與無(wú)織構(gòu)鉆頭相比，刃帶微織構(gòu)鉆頭的軸向力和扭矩分別降低了10.68%和12.33%。另一研究中，NIKETH等［21］對(duì)比了微織構(gòu)鉆頭和傳統(tǒng)鉆頭在不同潤(rùn)滑條件下的軸向力，刃帶微織構(gòu)鉆頭的軸向力在干切削條件下降低了10%～12%，在充足潤(rùn)滑液下降低了15%～20%，在微量潤(rùn)滑（MQL）條件下降低了15%～19%。ZHOU等［24］采用平行主切削刃的微槽織構(gòu)銑刀（TP）和傳統(tǒng)銑刀（NT）進(jìn)行鈦合金銑削，并對(duì)比了納米切削液（NC）和常規(guī)切削液（CC）的作用。結(jié)果表明，TP+NC切削時(shí)切削力最小，與NT+CC切削條件相比，TP+NC最大切削力降低了38.4%。

1.2 織構(gòu)對(duì)溫度的影響

溫度是影響鈦合金切削加工性能的主要因素之一，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致刀具快速磨損，最終影響工件的表面粗糙度。許多研究者發(fā)現(xiàn)，表面織構(gòu)是降低切削溫度的一種有潛力的技術(shù)［25］。

ZE 等［16］對(duì)比了三種刀具（前刀面織構(gòu)、后刀面織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具和傳統(tǒng)刀具）在Ti-6Al-4V切削過程中的切削溫度。前刀面存在微織構(gòu)的刀具可減少刀-屑界面摩擦，因此刀尖處溫度降低。楊樹財(cái)?shù)龋?7］研究了微織構(gòu)球頭銑刀銑削鈦合金的切削溫度，結(jié)果表明：與普通刀具相比，微織構(gòu)球頭銑刀的切削溫度降低13%；但微織構(gòu)刀具存在變形較大的問題，可能影響加工精度。ARULKIRUBAKARAN 等［26］研究了不同微織構(gòu)刀具在Ti-6Al-4V 切削過程中的切削溫度，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)刀具相比，在較高切削速度下具有垂直刃口微槽織構(gòu)刀具的切削溫度降低。SAWANT 等［27］通過對(duì)凸點(diǎn)織構(gòu)、凹坑織構(gòu)和傳統(tǒng)刀具車削加工中的刀具溫度分析指出，凸點(diǎn)織構(gòu)刀具的切削溫度最低，其次是凹坑織構(gòu)刀具和傳統(tǒng)刀具。RAO 等［28］在MQL 環(huán)境下，分析了微孔形狀對(duì)Ti-6Al-4V切削溫度的影響。與傳統(tǒng)刀具和前刀面帶有微坑的刀具相比，前、后刀面都有微坑的刀具最大切削溫度分別下降24%和15%。

1.3 織構(gòu)對(duì)刀具-材料界面摩擦的影響

微織構(gòu)是減小兩接觸面間摩擦力的方法之一。切削過程中減少刀-屑、刀-工界面摩擦的主要原因是將磨屑夾帶到微觀結(jié)構(gòu)中，提高了潤(rùn)滑能力。

YANG 等［29］通過分析干切削和低溫最小量潤(rùn)滑（CMQL）條件下不同結(jié)構(gòu)的微槽對(duì)摩擦因數(shù)的影響指出，微槽刀具與CMQL 復(fù)合使用，可以降低刀-屑界面平均摩擦因數(shù)。NIKETH 等［20］對(duì)比了光滑表面、凹坑表面和微槽表面的摩擦因數(shù)，微槽表面和微坑表面的摩擦因數(shù)分別降低了14.29%和16.33%，三種表面的摩擦因數(shù)如圖1所示。

圖1 不同微織構(gòu)表面的摩擦因數(shù)［20］Fig.1 Friction coefficient of different micro texture surfaces［20］

LI等［21］研究了三種不同微織構(gòu)刀具的刀-屑界面摩擦因數(shù)，結(jié)果表明具有與刃口平行的微槽織構(gòu)刀具的前刀面摩擦因數(shù)最小。HAO等［22］對(duì)比了三種微織構(gòu)刀具（傳統(tǒng)刀具、微槽刀具和微納織構(gòu)刀具）的摩擦因數(shù)，結(jié)果表明微納織構(gòu)刀具的摩擦因數(shù)分別比另外兩種刀具的減少11.5%和10.9%。SU等［30-31］研究了微織構(gòu)超硬聚晶金剛石（PCD）刀具在鈦合金Ti6Al4V高速加工中的抗摩擦和抗粘著作用。結(jié)果表明，微織構(gòu)PCD刀具在無(wú)潤(rùn)滑條件下的摩擦比傳統(tǒng)PCD刀具（有無(wú)潤(rùn)滑）的小。YANG等［32］對(duì)比了幾種不同的微織構(gòu)摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明微坑織構(gòu)表面與鈦合金摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)和磨損體積最小。MISHRA等［23］首次建立了織構(gòu)刀具的接觸長(zhǎng)度模型，并與普通刀具的接觸長(zhǎng)度進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，織構(gòu)刀具對(duì)鈦合金干切削的適用性有限。此外，由于切屑后表面材料嵌入微織構(gòu)，微織構(gòu)刀具接觸面積減小的相關(guān)機(jī)制不適用于進(jìn)給量和切削速度較大的情況。

1.4 織構(gòu)對(duì)刀具磨損的影響

在鈦合金切削加工中，生產(chǎn)率最大化的關(guān)鍵因素是刀具壽命。刀具和工件之間的高接觸應(yīng)力導(dǎo)致刀具前、后刀面磨損，最終影響加工零件的可靠性和刀具的使用壽命。

ZE 等［16］對(duì)比了三種微織構(gòu)刀具的刀具磨損，后刀面磨損如圖2所示，前刀面具有橢圓槽和后刀面具有與刃口平行的微槽刀具壽命分別提高10%～15%和10%～30%。程銳和艾興等［33］通過正交切削試驗(yàn)指出刀具表面的微織構(gòu)可以儲(chǔ)存切屑顆粒，有利于減少刀具磨粒磨損，靠近刃口的織構(gòu)最先磨損。因此，必須提高微織構(gòu)的加工精度。蔡倩倩等［34］分析了微坑直徑對(duì)刀具耐磨損性能影響，結(jié)果表明微坑直徑增大時(shí)，刀具磨損量先增加后減少，且直徑為24.96 μm 時(shí)刀具磨損最小。LIU 等［35］研究了兩種微織構(gòu)刀具的磨損，指出前刀面微織構(gòu)可以有效地降低切削力、切削溫度及前刀面粘結(jié)現(xiàn)象，從而在較高的切削速度下提高刀具壽命。HAO 等［22］的研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)刀具和微槽織構(gòu)刀具相比，微納織構(gòu)PCD 刀具的粘結(jié)磨損較小，金剛石顆粒的脫落和犁削現(xiàn)象較少。RAO 等［28］的研究指出前、后刀面都具有微坑的刀具后刀面磨損比傳統(tǒng)刀具和只有前刀面有微坑的刀具相比分別降低了62%和40%。

圖2 后刀面磨損［16］Fig.2 Flank wear morphology of the tool with texture at flank surface［16］

1.5 織構(gòu)對(duì)表面完整性的影響

鈦合金在加工過程中主要問題是導(dǎo)熱性差、粘結(jié)性強(qiáng)，導(dǎo)致切削區(qū)溫度升高，刀具磨損和表面粗糙度增加。

XIE等［36］通過分析傳統(tǒng)刀具、正交微槽織構(gòu)刀具和斜角微槽織構(gòu)刀具干車削鈦合金的已加工表面粗糙度指出，與正交微槽織構(gòu)刀具相比，斜角微槽織構(gòu)刀具切削后的已加工表面粗糙度低37.3%，斜角微槽刀具適用于鈦合金干切削。YANG 等［37］研究了微坑間距、微坑直徑、第一排微坑距刃口的距離和微坑深度對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。正交試驗(yàn)的極差分析表明，微織構(gòu)參數(shù)和工件傾斜角對(duì)表面粗糙度的影響順序?yàn)椋簝晌⒖娱g距＞微坑直徑＞第一排微坑間距切削刃距離＞微坑深度。ARULKIRUBAKARAN等［38］對(duì)比了四種不同微織構(gòu)刀具切削Ti6Al4V 的表面粗糙度，結(jié)果表明，微織構(gòu)刀具比普通刀具切削后具有更小的表面粗糙度；與傳統(tǒng)刀具相比，微織構(gòu)刀具加工的工件顯微硬度較低。

2 微織構(gòu)參數(shù)、形狀和方向

大多數(shù)研究指出，微織構(gòu)刀具能降低鈦合金切削過程中的切削力，而且在潤(rùn)滑條件下效果更佳。但少數(shù)學(xué)者［19，23］指出，在微織構(gòu)刀具切削鈦合金時(shí)，切屑后表面材料容易嵌入前刀面的微織構(gòu)，造成二次切削，使得切削力增大和切削溫度升高，導(dǎo)致加工質(zhì)量惡化和刀具壽命縮短。當(dāng)微織構(gòu)內(nèi)充滿工件材料或碎屑后，微織構(gòu)刀具有效性降低。微織構(gòu)刀具加工性能的改善主要取決于微織構(gòu)參數(shù)，如微織構(gòu)深度、寬度、間距、直徑等。還取決于微織構(gòu)形狀，如微孔、微槽、微方形凹坑、波紋槽。微織構(gòu)取向是影響微織構(gòu)刀具切削性能的另一個(gè)重要因素。微織構(gòu)的方向可以是平行/垂直于主切削刃的方向，也可以是平行/垂直于切屑流的方向。現(xiàn)階段鈦合金切削中，不同學(xué)者在刀具的后刀面或前刀面上制造不同尺寸、形狀和方向的微織構(gòu)，如表1 所示。從表1 可知，近年微織構(gòu)刀具技術(shù)在鈦合金切削加工中主要微織構(gòu)以微孔和微槽為主，制造技術(shù)以激光加工為主，切削環(huán)境主要是干切削。

表1 鈦合金切削中常見的織構(gòu)形狀和尺寸Tab.1 Common texture shape and size in titanium alloy cutting

3 結(jié)語(yǔ)

微織構(gòu)刀具在鈦合金切削中的應(yīng)用近年才得到廣泛的關(guān)注，主要機(jī)理在于：一是減少刀-屑界面接觸長(zhǎng)度，使得摩擦力減少和切削溫度降低；二是微織構(gòu)可以存儲(chǔ)切削過程中產(chǎn)生的磨屑，減少犁溝和粘結(jié)現(xiàn)象；三是微織構(gòu)可增加潤(rùn)滑液的滯留和可達(dá)性。但是微織構(gòu)刀具在鈦合金切削應(yīng)用中，還存在以下不足之處：

（1）由于鈦合金的強(qiáng)粘結(jié)特性和低導(dǎo)熱性，微織構(gòu)刀具干切削鈦合金時(shí)，切屑流經(jīng)織構(gòu)時(shí)容易產(chǎn)生二次切削，但是微織構(gòu)參數(shù)和形狀對(duì)二次切削形成的影響研究甚少；

（2）微織構(gòu)刀具在鈦合金切削過程中，微織構(gòu)存在時(shí)效性，當(dāng)微織構(gòu)內(nèi)存儲(chǔ)滿工件材料或碎屑時(shí)，微織構(gòu)的有效性降低，填充固體潤(rùn)滑劑的微織構(gòu)刀具有助于改善刀-屑界面的潤(rùn)滑性，改善切削性能，但固體潤(rùn)滑劑類型和微織構(gòu)參數(shù)的耦合作用值得進(jìn)一步深入探討；

（3）關(guān)于微織構(gòu)刀具的最佳形狀和幾何參數(shù)的優(yōu)化，現(xiàn)階段主要依靠切削實(shí)驗(yàn)，缺少尋找最佳微織構(gòu)參數(shù)的理論模型。