Ti-6Al-4V合金激光輔助銑削的刀具磨損特性

高延峰 肖建華

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

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Ti-6Al-4V合金激光輔助銑削的刀具磨損特性

高延峰 肖建華

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

對激光輔助銑削鈦合金Ti-6Al-4V進行了實驗研究，分析了切削力、切屑形貌和刀具的磨損特性。結(jié)果表明，與普通銑削相比，激光輔助銑削條件下，刀具切向的切削力明顯減小，刀具徑向的切削力略有增大；隨著激光功率的增大，鈦合金切屑呈現(xiàn)出從鋸齒形向連續(xù)形過渡的特征，不再具有明顯的絕熱剪切帶；與普通銑削時刀具崩刃的損傷不同，激光輔助銑削時刀具的磨損主要表現(xiàn)為后刀面磨損;激光輔助銑削可以減小后刀面的最大磨損量，但并不能改善后刀面平均磨損量。激光輔助銑削時，刀具壽命得到了延長，當后刀面的平均磨損量在0.15～0.20 mm之間時，可以降低刀具的磨損速度，從而延長刀具的使用壽命，但激光輔助銑削并不能降低刀具的初期磨損速度。

鈦合金；激光輔助銑削；加工；刀具磨損

0 引言

鈦合金Ti-6Al-4V因具有較高的比強度、優(yōu)良的耐腐蝕性以及與碳纖維復(fù)合材料良好的兼容性而成為國內(nèi)外現(xiàn)役以及新一代飛機中廣泛采用的結(jié)構(gòu)材料。但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]。激光加熱輔助切削通過引入高密度的激光熱能，對切削區(qū)域前端的材料進行加熱，使其產(chǎn)生熱軟化效應(yīng)，從而達到減小切削力、提高切削效率的目的[4-5]。研究表明，激光加熱輔助切削時，切削力可以降低15%～50%。Dandekar等[6]的研究表明，激光輔助切削可以有效降低Ti-6Al-4V合金在切削加工時所需的能量并改善工件的表面質(zhì)量，切削速度可以從60 m/min提高到107 m/min。Sun等[7]的研究表明，在切削區(qū)域前端引入激光使得工件局部軟化，當切削區(qū)域前端溫度在200～450 ℃時，其切削力明顯減小。

針對鈦合金熱輔助切削過程中的切削力，學者們展開了大量研究，與此形成鮮明對照的是，關(guān)于刀具壽命的研究卻很少。而且在有限的文獻中，關(guān)于鈦合金熱輔助切削是否能夠延長刀具壽命也沒有統(tǒng)一的結(jié)論。Ginta等[8]的研究表明，在Ti-6Al-4V合金切削過程中，當工件被加熱到650 ℃以上時，可以延長刀具壽命。Lacalle等[9]卻指出，刀具在171 ℃時的使用壽命最長。Dandekar等[6]發(fā)現(xiàn)，在特定切削參數(shù)下可以延長刀具壽命。Bermingham等[10]認為，在利用硬質(zhì)合金刀具進行鈦合金高速切削時，刀具的磨損機理主要與鈦合金材料的擴散有關(guān)，而鈦合金材料的擴散率受切削溫度的顯著影響。當切削區(qū)域溫度升高時，鈦合金材料的擴散率也會顯著提高，從而加快刀具磨損。

與車削過程相比，銑削加工是一種間斷性的加工過程，刀具與工件之間的沖擊作用造成的崩刃現(xiàn)象是銑削加工中刀具磨損的主要形式，而熱輔助切削可以減小切削力，因此，許多研究者認為熱輔助切削將有助于延長刀具在銑削加工中的壽命[11-12]。然而，目前還很少有關(guān)于鈦合金激光熱輔助銑削刀具磨損特性的研究。本文主要研究了使用硬質(zhì)合金刀具進行激光熱輔助銑削Ti-6Al-4V合金時的刀具磨損特性，并研究了激光功率和切削參數(shù)對切削力、切屑形態(tài)和刀具磨損的影響。

1 實驗系統(tǒng)組成

實驗中使用的機床為HASS VF-3YT五軸數(shù)控銑床，在干切削條件下進行銑削加工。使用Nd:YAG激光器(最大功率為2.5 kW，激光波長為1.064 μm)作為輔助加熱熱源。利用焦距為200 mm的透鏡將激光束聚焦到切削區(qū)域的前端，并將其調(diào)整成長度為11 mm、寬度為2 mm的線性光斑對工件進行加熱。實驗系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)的組成

實驗所用的銑刀刀片為SECO公司生產(chǎn)的LPHT060310TR-M06-MS2500硬質(zhì)合金銑刀，刀具前角和后角均為11°。刀柄直徑為16 mm，可安裝2個刀片。實驗采用順銑加工方式。采用Kistler 9124BXX11動態(tài)測力儀采集切削過程中的切削力。實驗使用650 W、1380 W兩種不同功率的激光，并與不同的切削參數(shù)組合。具體的切削參數(shù)如表1所示。

表1 實驗切削參數(shù)

2 工件溫度測量和分析

激光加熱輔助切削過程中，激光束與工件表面相互作用時，激光的能量被工件表面吸收從而使工件表面溫度升高。工件表面的溫度分布情況受激光功率、材料表面對激光的吸收率，以及激光作用時間的影響。為了研究不同激光功率下切削區(qū)域的溫度，在進行切削加工實驗之前，采用熱電偶測量了距離工件表面下方1 mm處某點在不同激光功率和不同進給速度下的最高溫度，測量結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，在相同進給速度下，被測點的溫度與激光功率之間基本成線性關(guān)系。根據(jù)該結(jié)果可以計算出表1所示參數(shù)下，工件表面下方1 mm處的最高溫度：實驗2約為200 ℃，實驗3約為300 ℃。

圖2 工件表面溫度隨激光功率的變化

3 實驗結(jié)果和討論

3.1 切削力

3.1.1 銑刀刀尖的受力分析

Kistler-9124BXX11動態(tài)測力儀在以旋轉(zhuǎn)刀具為參照物的運動坐標系內(nèi)，對兩個互成90°方向的力進行測量，如圖3所示。圖3中，F(xiàn)t和Fr是測力儀所測得的切削力，在刀具旋轉(zhuǎn)過程中，F(xiàn)t始終沿刀具的切線方向(t軸)，F(xiàn)r始終沿刀具的直徑方向(r軸)。

圖3 銑削力的測量示意圖

圖4是銑刀刀尖在切削過程中的受力簡圖。圖4中，刀尖以角速度ω繞旋轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動，θ為刀具的旋轉(zhuǎn)角度。同時，工件沿x方向以速度v向左進給，φ為鈦合金切屑的剪切滑移角。刀尖受到的力包括：切屑的剪切滑移力Fs、后刀面與已加工表面的摩擦力為Ff1、前刀面與切屑之間的摩擦力為Ff2、工件進給產(chǎn)生的壓力為Ff。將刀尖受到的這些力分解到t軸和r軸上，可得

(1)

圖4 銑刀刀尖受力分析

實驗中，工件的每齒進給量設(shè)定為0.5 mm。因此，在切削瞬間，工件在x方向上的移動距離很小。此外，鈦合金的彈性模量比較小，所以進給產(chǎn)生的壓力Ff很小，這一點也可從實驗數(shù)據(jù)中得到證實。圖5是銑刀未完全進入工件時的切削示意圖及測得的切削力-時間圖，其中非切削周期指的是刀片離開工件的時間。由于刀片離開工件時，F(xiàn)s、Ff1和Ff2均為零，此時測得的切削力實際上就是Ff。從圖5b可知，非切削周內(nèi)測量得到的切削力很小，幾乎接近于零。因此，式(1)可以簡化為

(2)

(a)銑刀未完全進入工件的切削弧區(qū)

(b)切向切削力信號圖

所以，實驗中測量得到的切削力Ft和Fr基本反映了切屑的剪切滑移力、后刀面與已加工表面的摩擦力、前刀面與切屑之間的摩擦力的變化情況。圖5中，在不同切削周期內(nèi)，切削力呈現(xiàn)正負交替的原因是實驗中刀柄上安裝了相差180°的兩把刀片。

3.1.2 激光功率對切削力的影響

首先研究激光功率對于切削力的影響。圖6所示為銑刀完全進入切削區(qū)域后測得的一個切削周期內(nèi)的切削力?？梢?，F(xiàn)t隨著激光功率的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，不加激光時，切削力幅值約為750 N；激光功率為1380 W時，切削力幅值約為400 N，減小了46%。Fr隨著激光功率的增大呈現(xiàn)出略微增大的趨勢。這說明，隨著激光功率的增大，被切削區(qū)域的溫度升高，導致鈦合金切屑的剪切滑移力減小，同時由于實驗中采用的是未磨損的刀具，其摩擦力Ff1和Ff2受激光功率的影響較小，由式(2)可知，隨著激光功率的增大，F(xiàn)t減小，F(xiàn)r增大。

(a)切向力-時間曲線

(b)徑向力-時間曲線

3.1.3 刀具磨損對切削力的影響

為了研究刀具磨損對切削力的影響，測量了切削力隨刀具累積切削量的變化情況，如圖7所示，圖中表示的是2個切削周期，刀具的累積切削量分別為0.86 cm3和29.2 cm3。

(a)切向力-時間曲線

(b)徑向力-時間曲線

圖7 切削力隨刀具累積切削量的變化

從圖7可見，當?shù)毒叩睦鄯e切削量從增加到29.2 cm3時，F(xiàn)t明顯增大。這主要是因為隨著累積切削量的增加，刀具的后刀面磨損量增大，導致后刀面與已加工表面的摩擦力Ff1顯著增大，從而使Ft明顯增大。對Fr來說則沒有明顯增大的現(xiàn)象，但是卻呈現(xiàn)出了波動頻率變大的特征(Ft也具有該特征，只是相比之下不如Fr明顯)。這主要是因為，隨著刀具磨損程度的增加，被切削材料從最初的剪切變形為主，逐漸變?yōu)閿D壓變形。鈦合金的彈性模量低，在擠壓過程中容易產(chǎn)生彈性變形，從而導致切削力高頻振動。這說明，刀具磨損后切削過程發(fā)生顫振的可能性變大。

圖8為不同激光功率下，切削力隨刀具累積切削量的變化情況，圖中的切削力是測量數(shù)據(jù)絕對值的平均值。從圖8可見，隨著刀具累積切削量的增加，不同激光功率下的Ft均呈現(xiàn)出升高的趨勢。不加激光時，F(xiàn)t先快速增大，然后保持在一個較高水平上。激光功率為650 W時，F(xiàn)t線性增大。激光功率增大到1380 W時，F(xiàn)t先快速增大，然后趨于平坦，最后再快速增大。這說明，在不同的激光功率下，銑刀刀具呈現(xiàn)出不同的磨損特征。Fr則呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢,且不加激光時，F(xiàn)r最小。

3.2 切屑形態(tài)

3.2.1 激光功率對切屑形態(tài)的影響

研究了不同激光功率下Ti-6Al-4V合金的切屑形態(tài)，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，在不加激光的條件下，鈦合金切屑呈現(xiàn)出明顯的鋸齒形特征，且相鄰的兩個鋸齒之間有較為明顯的絕熱剪切帶。激光功率為650W時，切屑呈現(xiàn)出從鋸齒型切屑向連續(xù)型切屑過渡的特征。切屑形貌仍然存在鋸齒的形狀，但是鋸齒的大小和間隔呈

(a)切向力-刀具累積切削量曲線

(b) 徑向力-刀具累積切削量曲線

現(xiàn)出不規(guī)則的變化，而且不再有明顯的絕熱剪切帶。激光功率增加到1380W時，切屑呈現(xiàn)出連續(xù)型切屑的特征。這說明，在激光輔助加熱的作用下，鈦合金材料的流變應(yīng)力和應(yīng)變強化率下降，導致切削過程中的絕熱剪切效應(yīng)減弱，切屑的形成過程變得較為連續(xù)和穩(wěn)定，有利于減少切削過程中的顫振，獲得較高質(zhì)量的加工表面。

(a)不加激光

(b)激光功率650 W

(c)激光功率1380 W

3.2.2 刀具磨損對切屑形態(tài)的影響

實驗中使用同一把刀具，分別在累積切削體積為0.86 cm3、10.32 cm3和18.86 cm3時采集所獲得的切屑，對其側(cè)面進行觀察，結(jié)果如圖10所示。從圖10a可見，刀具切除材料的體積為0.86 cm3時，所采集到的切屑呈現(xiàn)出十分規(guī)則的鋸齒形狀。當?shù)毒咔谐牧系捏w積增大到10.32 cm3時，刀具的使用時間變長，磨損程度變大。此時的切屑形態(tài)如圖10b所示，切屑仍然具有明顯的鋸齒形狀，且鋸齒的間距變大，但切屑的底部已不像圖10a中的切屑那樣平坦。圖10c表明，隨著刀具磨損的進一步增加，切屑的間距變得更大，底部也更不平坦。這說明，隨著刀具磨損程度增大，后刀面與工件表面之間的摩擦力增大，被切削材料受到更多的擠壓變形，造成切屑底部凸凹不平，進而影響已加工表面的質(zhì)量。這一點可以從圖7所示的切削力的變化情況中得到相互印證。

(a)材料去除體積0.86 cm3

(b)材料去除體積10.32 cm3

(c)材料去除體積18.86 cm3

3.3 刀具磨損分析

3.3.1 后刀面磨損

本文采用后刀面平均磨損量VB和后刀面最大磨損量VBmax來表征后刀面磨損程度，如圖11所示。

圖11 后刀面磨損量VB和VBmax

文中研究了不同激光功率作用下，后刀面磨損程度隨材料去除體積的變化規(guī)律，實驗條件如表1所述，實驗結(jié)果如圖12所示。

(a)平均磨損量

(b)最大磨損量

圖12a表明，在切削的初期，激光輔助切削的磨損量大于普通切削時的磨損量。隨著刀具累積切削量的增加，普通切削方式下，刀具的磨損逐漸加快，并最終超過了激光輔助加熱條件下的刀具磨損。當?shù)毒呃鄯e切除材料的體積大于14 cm3后，不加激光的情況下，后刀面的平均磨損量快速增大。采用激光加熱輔助切削時，在磨損的初始階段，后刀面的磨損量較大，但是其上升斜率隨激光功率的增大而變小，因此，刀具的使用壽命得到了延長。

圖12b表明，后刀面的最大磨損量VBmax在切削初始階段，采用激光加熱與不采用激光加熱的條件下差別并不明顯。當材料去除體積大于10 cm3后，不采用激光輔助加熱時，刀具磨損量迅速增大。

綜合圖12所示結(jié)果可知，采用激光輔助加熱進行鈦合金材料銑削加工，并不能有效減少后刀面的平均磨損量，但是能夠有效地減小后刀面的最大磨損量。這是因為，激光輔助加熱在使鈦合金材料得到軟化的同時，也降低了刀具的強度，使刀具與被加工表面之間的摩擦力增大，所以在銑削初期，采用激光輔助加熱反而使刀具后刀面的平均磨損量變大。銑削過程是一個不連續(xù)切削過程，鈦合金材料對刀具的沖擊是產(chǎn)生后刀面最大磨損量的主要作用，采用激光輔助加熱后，材料的強度降低，對刀具的沖擊作用降低，所以最大磨損量有較為明顯的減小。

3.3.2 前刀面及切削刃磨損

銑削過程是一種不連續(xù)切削過程。順銑加工時，刀具每次在切入工件的瞬間，切削深度最大，前刀面會受到較大的沖擊力，產(chǎn)生崩刃的幾率增大。本文研究了傳統(tǒng)銑削和激光輔助銑削方式下，前刀面的磨損情況。

圖13為普通銑削方式下前刀面的掃面電鏡圖像。對區(qū)域A進行放大，可以看出呈褶皺狀的鈦合金切屑,這表明在區(qū)域A上黏結(jié)了大量的鈦合金切屑。切屑在刀具上的黏結(jié)現(xiàn)象是造成鈦合金切削困難的主要原因之一，同時也加快了刀具的磨損。從區(qū)域B的放大圖中可以看出，有橫向裂紋和縱向裂紋產(chǎn)生，如E和D所示。一般認為，橫向裂紋E主要是由沖擊力導致的，縱向裂紋D則主要是由切削熱導致的。這說明在銑削過程中，刀具受到了較大的沖擊作用(從圖6可見，在銑削過程中，刀具受到了幅值約為750N的正弦力的作用)。同時，鈦合金材料的導熱性差，切削熱主要集中在刀具上，造成刀具上熱裂紋的產(chǎn)生。對區(qū)域C放大可見，該表面呈現(xiàn)出斷裂韌口的特性，說明刀具材料從該區(qū)域中被剝離，造成了崩刃。

圖13 普通銑削條件下前刀面SEM圖

圖14是激光輔助切削方式下前刀面的掃描電鏡圖像。從圖14可以看出，雖然仍有少部分刀具材料發(fā)生崩刃(如區(qū)域H所示)，但刀具并沒有呈現(xiàn)出圖13那樣的大塊材料從刀具上剝離的崩刃現(xiàn)象，刀具的磨損主要是由后刀面與被加工表面之間的摩擦造成的。這主要是由于在激光輔助加熱的作用下，鈦合金材料被軟化，刀具受到的沖擊力減小(從圖6可見，1380 W激光輔助切削條件下刀具受到的切削力Ft幅值約為400N，比不加激光時減小46%)，所以抑制了刀具材料崩刃。但切削力Fr比不加激光時有所增加，導致摩擦力增大。從圖14中區(qū)域D可以看出明顯的縱向條紋，這些條紋是由后刀面與被加工表面之間的摩擦產(chǎn)生的。從圖14中區(qū)域G可見，刀具材料呈

現(xiàn)出明顯的橫向魚鱗狀條紋，這說明該處的材料受到了較大的擠壓作用，同時在激光加熱環(huán)境下，刀具材料溫度升高，抗壓強度降低，導致魚鱗狀條紋的產(chǎn)生。圖14中區(qū)域E則呈現(xiàn)出明顯的球形，并且具有光滑的外表面，是一種典型的熔滴凝固形成表面。這說明切削過程中存在較高的溫度，一些細小的切屑被高溫熔化。較高的溫度也使得鈦合金切屑和刀具材料之間的黏結(jié)作用加強，圖14中的區(qū)域F為鈦合金和刀具之間形成的黏結(jié)層。

4 結(jié)論

(1)隨著激光功率的增大，刀具切向力Ft明顯減小，徑向力Fr略有增大。說明激光輔助加熱有助于減小鈦合金材料的剪切抗力。

(2)在普通切削方式下，鈦合金切屑具有典型的鋸齒形狀。在激光輔助切削方式下，隨著激光功率的增大，鈦合金切屑呈現(xiàn)出從鋸齒形向連續(xù)形過渡的特征，不再具有明顯的絕熱剪切帶。

(3)分析刀具的磨損特性可知，激光輔助加熱銑削有助于減小后刀面的最大磨損量VBmax，但并不能顯著減小后刀面平均磨損量VB。普通銑削方式下，刀具的磨損主要表現(xiàn)為刀具崩刃，激光輔助銑削方式下，刀具的磨損形式主要表現(xiàn)為后刀面磨損。以后刀面的磨損量作為刀具壽命的評判準則，激光輔助切削時刀具壽命得到了延長，當后刀面的平均磨損量在0.15～0.20 mm之間時，可以降低刀具的磨損速度，從而延長刀具的使用壽命，激光輔助銑削并不能降低刀具的初期磨損速度。

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(編輯 張 洋)

Characteristics of Cutting Tool Wear during LAM Processes for Ti-6Al-4V Alloy

Gao Yanfeng Xiao Jianhua

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

Cutting forces, chip morphology, and tool wear mechanism during LAM processes for Ti-6Al-4V alloy were investigated experimentally herein. The results show that, under the LAM conditions, the tangential cutting forces of the cutting tool decrease significantly, while the radial cutting forces of the cutting tool increase slightly. With the increasing of laser power, the saw-tooth chips gradually transform to the continuous chips, and the adiabatic shear bands are disappeared. Different from the break edge tool wear during the conventional milling processes, the frictional wear is the main wear pattern during LAM processes, which is beneficial to reduce the maximum wear values on the tool flank, but it may not reduce the average wear values on the tool flank. The tool life is prolonged during LAM processes. When the mean wear extent of flank in the range of 0.15～0.20 mm, the wear speed of cutting tool is reduced. It manifests that the LAM may not reduce the initial wear speeds of cutting tools.

titanium alloy; laser assisted milling(LAM); machining; tool wear

2015-12-20

江西省教育廳科技項目(GJJ150737)。

TP391.7

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.007

高延峰，男，1974年生。南昌航空大學航空制造工程學院副教授。主要研究方向為特種加工技術(shù)。發(fā)表論文30余篇。肖建華，女，1974年生。南昌航空大學材料科學與工程學院副教授。