激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削TA19 鈦合金高深寬比微結(jié)構(gòu)的研究

趙國龍，冒鵬程，杜亞男，李亮，何寧

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

鈦合金是一種優(yōu)良的材料，具有比強度高、比重小、耐腐蝕性好及生物相容性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、精密儀器等領(lǐng)域[1-4]。近些年來微小型零件和微小結(jié)構(gòu)件的需求日益增長，對鈦合金的微細(xì)加工提出了更高的要求[5]。TA19 鈦合金是一種近α 型鈦合金，名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，美國牌號為Ti6242s[6]。該合金是一種高溫鈦合金，除了鈦合金本身的優(yōu)良特性外，還具有較好的高溫抗蠕變性能，較高的強度、韌性和低周疲勞強度，目前主要應(yīng)用于制造飛機(jī)蒙皮及航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤等[7]。由于鈦合金具有導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量低等特點，在微加工過程中存在刀具磨損嚴(yán)重、加工過程溫度高、應(yīng)力大、回彈嚴(yán)重等問題，因此該材料是典型的難加工材料[8]。目前TA19 鈦合金在微細(xì)加工領(lǐng)域研究較少，但是其具有良好的高溫抗蠕變性能，該材料加工的微零件和微結(jié)構(gòu)可在高溫下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，在微細(xì)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

目前針對鈦合金的加工方法有常規(guī)切削加工、高速切削加工[9-10]、超聲振動輔助切削[11-12]、電化學(xué)加工及電解加工[13-14]、低溫輔助加工[15]、激光輔助加工[16-17]等。而微加工領(lǐng)域中的加工方法主要有常規(guī)的微機(jī)械加工（微車削、微銑削等）及微細(xì)特種加工（微細(xì)電加工、激光加工、離子束加工等）。許金凱等人[18]利用微細(xì)電火花深溝槽螺旋電極對Ti6Al4V 鈦合金進(jìn)行微孔加工，明顯改善了微孔加工質(zhì)量，提高了加工效率，并減少了工具電極的損耗。Anthuvan 等人[19]利用磁場輔助電火花加工工藝在鈦合金上加工微孔，通過在介質(zhì)中增加粉末顆粒及添加磁場輔助，提高了材料去除率，減少了工具磨損。Xin 等人[20]利用激光束在Ti6Al4V 鈦合金表面加工出網(wǎng)格狀的微納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了表面超疏水結(jié)構(gòu)的高效制備。但是這些特種加工方式目前均存在一些問題，如電火花加工對材料導(dǎo)電性有要求，加工表面質(zhì)量較差，而激光加工會在加工表面產(chǎn)生熱影響區(qū)，導(dǎo)致重鑄層及微裂紋等缺陷出現(xiàn)。

微細(xì)銑削加工具有加工效率較高、表面質(zhì)量較好、生產(chǎn)柔性較好等優(yōu)點，并且可以加工復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。Samad 等人[21]研究了Ti6Al4V 鈦合金微銑削過程中微切削刀具幾何尺寸、表面粗糙度和微銑削力之間的關(guān)系，從而確定了在刀尖形成穩(wěn)定積屑瘤的條件，通過控制切削參數(shù)以產(chǎn)生穩(wěn)定積屑瘤，從而提高微細(xì)銑削加工過程中刀具的使用壽命。與常規(guī)銑削相比，微細(xì)銑削刀具直徑小，刀具剛度差，尤其是加工高深寬比結(jié)構(gòu)時使用的大長徑比微銑刀，加工過程易出現(xiàn)刀具變形大、磨損嚴(yán)重、易折斷等問題。通過降低材料硬度，減少加工過程中的銑削力，可有效減少刀具變形和刀具折斷等問題，提高微銑刀的使用壽命。激光輔助加工是將激光束輻照在切削工具前方的工件表面，高溫使材料軟化，從而顯著降低材料的屈服強度，減小切削力并提高了金屬的去除率[22]。S. Melkote等人[23]對淬火A2 工具鋼進(jìn)行了激光輔助微細(xì)銑削加工的實驗研究，與常規(guī)微細(xì)銑削相比，在激光輔助銑削下槽的尺寸精度更高，刀具磨損率低，表面粗糙度好。Alberto 等人[24]對高鎳鋼A-286 在干、濕和激光輔助條件下進(jìn)行了微銑削實驗，分析了微銑削后的表面形貌、毛刺、零件特征深度、刀具磨損和切削力。結(jié)果表明，激光輔助微細(xì)銑削中，與工件表面的切屑粘附最小，切削力低，加工精度高，刀具磨損小。但是該方法仍然存在缺陷，過高激光功率會燒蝕工件材料，同時過高的切削區(qū)溫度對刀具使用壽命有影響，且隨著激光功率的提高，熱影響區(qū)擴(kuò)大，加工表面的裂紋密度增加，導(dǎo)致材料的物理力學(xué)性能發(fā)生改變，影響材料的使役性能。

本文提出激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削（Laser induced oxidation assisted micro-milling，LOMM）復(fù)合加工方法，使用激光輻照待加工區(qū)域材料，使材料升溫，誘導(dǎo)氧化反應(yīng)的進(jìn)行，生成疏松多孔的氧化層，隨后用微銑刀快速去除氧化層，大幅度提高加工效率。主要探討了激光參數(shù)對材料氧化行為的影響，優(yōu)選激光參數(shù)組合以獲得較好的氧化效果。研究了銑削參數(shù)，對銑削力、表面粗糙度、表面毛刺等方面的影響，優(yōu)化銑削參數(shù)。選取最優(yōu)的激光參數(shù)與銑削參數(shù)，采用激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削工藝，加工寬度為0.5、深寬比為3 的高深寬比微結(jié)構(gòu)，同時在相同的銑削參數(shù)下，采用常規(guī)微細(xì)銑削方法加工相同的微結(jié)構(gòu)以作為對比。

1 試驗與方法

1.1 激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削原理

激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削復(fù)合加工工藝的原理如圖1 所示。首先使用納秒脈沖激光輻照待加工區(qū)域材料表面，材料在極短的時間內(nèi)吸收激光能量，溫度迅速上升。由于TA19 鈦合金在高溫下極易氧化[25]，在富氧條件下，待加工區(qū)域材料發(fā)生氧化反應(yīng)，生成變質(zhì)層，變質(zhì)層由疏松且易于去除的氧化層和亞表層（氧化層和基體材料的夾層）組成，然后利用微銑刀去除氧化層，如圖1a 所示。隨后激光以相同路徑輻照亞表層，生成新的變質(zhì)層，即新的氧化層和亞表層，然后再次用微銑刀去除氧化層，如圖1b 所示。經(jīng)過多次循環(huán)“激光誘導(dǎo)氧化-氧化層去除”之后，關(guān)閉激光器和氧氣噴嘴，使用微銑刀去除最后一次激光誘導(dǎo)氧化生成的亞表層（即圖1c 中的“亞表層n”）及微薄的基體材料，從而獲得所需的微結(jié)構(gòu)。

1.2 試驗材料及設(shè)備

試驗材料為TA19 鈦合金，其物理性能和化學(xué)成分分別如表1 和表2 所示[26]。試樣采用電火花線切割成5 mm×5 mm×20 mm 的多個樣塊，樣塊經(jīng)過研磨拋光并進(jìn)行超聲清洗后烘干備用。試驗用微銑刀型號為MHRH230（NS TOOL），齒數(shù)為2，基體材料為硬質(zhì)合金，表面涂層硬度為3600HV，直徑為0.5 mm，有效刃長為2.5 mm，螺旋角為30°。

圖1 激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削工藝原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser induced oxidation assisted micro milling process: (a) first milling, (b) second milling, (c) n milling

表1 TA19 鈦合金的物理性能Tab.1 Physical properties of TA19 titanium alloy

表2 TA19 鈦合金的化學(xué)成分組成Tab.2 Chemical composition of TA19 titanium alloy wt%

本次試驗使用的激光加工系統(tǒng)包括摻鐿脈沖光纖激光器（YLP-1/100/20，IPG Photonics）、擴(kuò)束鏡、掃描振鏡、場鏡等。激光器波長為1064 nm，脈寬為100 ns，平均功率范圍為2～20 W，光斑直徑為57 μm，脈沖重疊頻率為 20～200 kHz。銑削試驗使用本課題組自主搭建的高精密激光-微細(xì)銑削復(fù)合加工平臺（CMEE-Ⅲ-X150-Y150-Z100），包括三軸龍門高精密微細(xì)銑削機(jī)床、顯微觀測系統(tǒng)、銑削力信號采集系統(tǒng)等，銑床主軸為氣浮高速主軸，顯微觀測系統(tǒng)主要用于對刀過程及銑削加工過程的觀測，而銑削力信號采集系統(tǒng)用來實時測量加工過程中的銑削力。

1.3 試驗方案

試驗部分主要為激光誘導(dǎo)氧化參數(shù)探索和銑削參數(shù)優(yōu)化，其中氧化試驗主要探討激光參數(shù)對TA19鈦合金氧化行為的影響，主要關(guān)注激光掃描速度及激光平均功率的影響。激光掃描速度選取0.5、1、3、6 mm/s 4 個水平，激光平均功率選擇3、3.5、4、4.5、5 W 5 個水平，共20 組試驗。這些試驗均在富氧條件下進(jìn)行，氧氣流量為5 L/min。

銑削參數(shù)優(yōu)化試驗，主要研究每齒進(jìn)給量和背吃刀量對銑削力、表面質(zhì)量及毛刺的影響。選取每齒進(jìn)給量fz為0.75、1.25、1.75、2.25 μm/z 4 個水平，背吃刀量ap分別為3 μm 和6 μm，主軸轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，

1.4 表征方法

使用掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi 4800）觀察生成的氧化層、亞表層和高深寬比微槽的表面形貌。使用能譜儀（EDS，Oxford）進(jìn)行氧化層和毛坯材料的元素組分分析。使用銑削力信號采集系統(tǒng)來實時監(jiān)測銑削過程的銑削力，該系統(tǒng)由測力儀、信號放大器及信號處理系統(tǒng)組成，其中測力儀型號為Kistler 9256C1，其測力分辨率和最大采樣頻率分別為2 mN與 30 kHz。使用白光干涉儀（Phase Shift Micro XAM-3D）來測量表面粗糙度Sa。

2 結(jié)果及分析

2.1 氧化結(jié)果分析

當(dāng)激光照射到材料表面時，自由電子通過吸收光子從基態(tài)激發(fā)到更高的能級[27]。在激光輻照下，電子主要通過逆韌致輻射來吸收光子能量從而被激發(fā)并具有動能，隨后通過發(fā)射聲子將能量傳遞到晶格上，從而使材料升溫[28]。而TA19 鈦合金在溫度高于540 ℃時會發(fā)生氧化反應(yīng)，生成Al2O3和TiO2等產(chǎn)物，主要氧化反應(yīng)如公式(1)—(5)所示。在激光輻照下，工件材料表面的溫度會迅速上升并且與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成TiO、Ti2O、Ti2O3低價鈦的氧化物。隨著TA19 的氧化反應(yīng)程度不斷加深，低價鈦的氧化物會被進(jìn)一步氧化成高價鈦氧化物，即銳鈦礦型TiO2與金紅石型TiO2。

由于Al 的熱力學(xué)穩(wěn)定性低于Ti，所以激光輻照后Al2O3優(yōu)先生成，而Ti 元素含量較高，相應(yīng)產(chǎn)生的氧化物也更多，所以表面主要氧化物為大量的TiO2。同時由于激光輻照區(qū)域的溫度很高，當(dāng)溫度高于750 ℃時會出現(xiàn)Ti3Al 脆性相[6]，從而使氧化層變得疏松多孔。圖2 是TA19 材料基體及氧化層的EDS 元素分析圖，可以發(fā)現(xiàn)基體材料的元素組成與表1 成分基本相同，同時O 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.3%，其來自于基體表面原本存在的氧化膜。而從圖2b 可以發(fā)現(xiàn)，O元素增加到了34%，而其他元素均有一定降低，這表明在激光輻照下，TA19 鈦合金材料得到了較為充分的氧化。

圖2 TA19 鈦合金基體和氧化層的EDS 圖Fig.2 EDS spectra of (a) substrate and (b) oxide layer of TA19 titanium alloy

為了獲取氧化效果良好的氧化層，選取不同參數(shù)以進(jìn)行氧化實驗，主要變量為激光平均功率及激光掃描速度。激光平均功率越高，激光束傳遞的能量就越高，單位時間內(nèi)材料溫升也就越大，在充足的氧氣供應(yīng)下，氧化反應(yīng)也越充分。圖3 是當(dāng)激光掃描速度為0.5 mm/s 時，采用不同激光平均功率誘導(dǎo)材料氧化生成的氧化物微觀形貌。當(dāng)激光平均功率為3 W 時，由圖3a 可知，表面出現(xiàn)了部分氧化物但是氧化物分布比較零散，沒有完全覆蓋表面，未被氧化物覆蓋的表面為激光的熱影響區(qū)，由此可知激光功率為3 W 時不能有效誘導(dǎo)疏松氧化層的生成。當(dāng)激光功率增加到3.5 W 時，材料表面氧化物逐漸增多，聚集成許多較為疏松的團(tuán)絮狀，如圖3b 所示。而當(dāng)激光功率繼續(xù)增加到4 W 時，氧化更加充分，由圖3c 可見較小的團(tuán)絮狀聚集為大塊的氧化層，且變得更加疏松多孔。但并不是激光功率越高，氧化效果越理想。當(dāng)激光功率增加到4.5 W 時，由圖3d 可以明顯發(fā)現(xiàn)表面氧化效果變差，這是因為過高的激光功率會燒蝕工件表面，氧化效果反而降低。當(dāng)功率達(dá)到5 W 時，材料表面呈現(xiàn)出氧化物及細(xì)碎狀顆粒并存的形貌，該部分顆粒物推測是在較高激光功率引起的高溫下產(chǎn)生的Ti3Al 脆性相。因此，隨著激光功率的增加，一定范圍內(nèi)氧化效果隨之提高，而一旦功率過高反而會弱化氧化效果。

圖3 不同激光平均功率下的氧化層表面形貌Fig.3 Morphology of the oxide layer obtained with different laser average powers

圖4 不同激光掃描速度下的氧化層形貌Fig.4 Morphology of the oxide layer obtained with different laser scanning speeds

圖4 為激光功率為4.5 W 下，不同激光掃描速度的表面形貌SEM 圖像。在相同的激光功率下，激光掃描速度越快，單位面積吸收的激光能量也會相應(yīng)變少。圖4a 為掃描速度為0.5 mm/s 下的形貌圖，因為功率過高，氧化物受到了一定影響，表面有一定的燒蝕痕跡。當(dāng)掃描速度提高到1 mm/s 時，因為掃描速度增加，單位面積接受激光的能量減少，燒蝕現(xiàn)象減少，氧化物變得較為疏松，氧化效果變得明顯，如圖4b 所示。而當(dāng)掃描速度增加到3 mm/s 時，氧化物變得更疏松多孔，氧化質(zhì)量更佳，如圖4c 所示。但是從圖4d 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描速度進(jìn)一步增加到6 mm/s時，表面氧化物變少，氧化效果不充分，這是因為掃描速度過快使得區(qū)域溫度未能滿足充分氧化的需求。

由圖4 可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為4.5 W 時，選取掃描速度為3 mm/s 可以獲得較為良好的氧化層。而根據(jù)上述分析可知，激光能量密度隨著激光平均功率的增大而增大，在激光輻照下的工件材料累積吸收的能量也隨之增加，導(dǎo)致材料溫度升高，而掃描速度增加則會降低工件材料累積吸收的能量。因此，當(dāng)激光功率與掃描速度同時減少時，單位面積材料的累積吸收能量相近，氧化效果也相似，即激光功率為4 W、掃描速度為1 mm/s 時的氧化效果與激光功率為4.5 W、掃描速度為3 mm/s 時的氧化效果相似，如圖5 所示。由圖5 可見，該參數(shù)下氧化層同樣疏松多孔，易于去除，滿足工藝要求。為獲得最優(yōu)的激光參數(shù)組合，對兩參數(shù)組合下的亞表層做進(jìn)一步對比，如圖6 所示。

圖5 激光功率為4 W、掃描速度為1 mm/s 下的氧化層形貌Fig.5 Morphology of the oxide layer with the laser power of 4 W and scanning speed of 1 mm/s

圖6 不同參數(shù)下亞表層形貌SEM 圖Fig.6 SEM image of the subsurface with (a) the laser power of 4 W and scanning speed of 1 mm/s and (b) the laser power of 4.5 W and scanning speed of 3 mm/s

圖6a 為選取的激光功率為4 W、掃描速度為1 mm/s 的亞表層形貌圖。當(dāng)氧化層經(jīng)過超聲清洗被去除后，亞表層表面致密并且平整，存在附著的殘留氧化物、微裂紋、材料剝落等缺陷。由EDS 圖分析可見O 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.9%，介于氧化層與基體之間，說明亞表層表面存在一定的殘余氧化物。微裂紋是由于激光輻照過后，材料冷卻時材料表面產(chǎn)生較大的溫度梯度引起了殘余應(yīng)力釋放，表面受力不均而導(dǎo)致的。材料剝落主要是因為高溫下氧氣與表面鈦合金材料發(fā)生固溶反應(yīng)生成鈦氧固溶體，由于其摩爾體積遠(yuǎn)大于基體材料，兩者邊界處產(chǎn)生剪切應(yīng)力，應(yīng)力釋放下產(chǎn)生裂紋，在超聲清洗作用下，該部分材料產(chǎn)生剝落。這些缺陷對加工表面質(zhì)量影響較大，因此該工藝須在最后一步去除亞表層及部分基體材料以獲得較好的加工表面。圖6b 為激光功率為4.5 W、掃描速度為3 mm/s 的亞表層形貌圖，可發(fā)現(xiàn)該參數(shù)下亞表層質(zhì)量較差，與激光功率為4 W、掃描速度為1 mm/s 的亞表層相比，表面起伏波動較大，并且存在較多的殘留氧化物，微裂紋更加密集，同時表面還存在熔化重凝現(xiàn)象。這是由于激光功率增加導(dǎo)致激光能量密度較大，單位時間內(nèi)溫度升高過快使得材料熔化，而掃描速度較快，使得部分材料未能完全氧化，重新冷卻后凝固在亞表層表面，對后續(xù)切削加工會造成不利影響。因此，從亞表層方面考慮，激光功率為4 W、掃描速度為1 mm/s 的亞表層缺陷較少，質(zhì)量較好，選取該激光參數(shù)組合為最優(yōu)氧化參數(shù)，在該參數(shù)下氧化層和亞表層厚度分別是32 μm 和9 μm。

2.2 銑削參數(shù)對銑削力及表面質(zhì)量的影響

銑削力是評價加工過程平穩(wěn)性及加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[29]。圖7 為不同銑削參數(shù)下的銑削力，主要測量主切削力Fx與進(jìn)給抗力Fy，銑削力取峰值。在相同背吃刀量下，銑削力隨每齒進(jìn)給量的增加而增加，在背吃刀量為3 μm 時，F(xiàn)x與Fy分別從1.05 N和0.49 N 增加到1.46 N 及0.633 N，而當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.75 μm/z 增加到1.25 μm/z，以及從1.75 μm/z 增加到2.25 μm/z 時，銑削力均有相對較大幅度的增加，而1.25 μm/z 與1.75 μm/z 之間的銑削力相差不大。在相同的切削速度下，不同背吃刀量的銑削力相差不大，兩種背吃刀量下Fx幾乎相同，而對Fy而言，ap=3 μm 時反而略高于ap=6 μm，推測當(dāng)背吃刀量為3 μm時，切削深度與刀具刃口圓弧半徑相近，尺寸效應(yīng)較為嚴(yán)重導(dǎo)致的。

圖7 不同背吃刀量和每齒進(jìn)給量時的銑削力Fig.7 Milling force varying with feed per tooth at different depth of cut

圖8 為不同銑削參數(shù)下的加工表面SEM 圖。對比發(fā)現(xiàn)，加工表面形貌相近，無明顯缺陷，不同參數(shù)對加工表面質(zhì)量影響不大。圖9 為加工表面粗糙度，可以發(fā)現(xiàn)在兩種背吃刀量下，隨每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度均呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢，而且在每齒進(jìn)給量為1.75 μm/z 時，表面粗糙度達(dá)到最低，為0.067 μm。而在相同每齒進(jìn)給量下，兩種背吃刀量下的表面粗糙度差距很小。鈦合金作為一種塑性材料，在切削加工過程中會有比較明顯的毛刺現(xiàn)象[30]。從圖9 中可以看到，在相同的背吃刀量下，不同進(jìn)給速度下均有毛刺產(chǎn)生，且無明顯差別，顯然進(jìn)給速度不是影響毛刺的主要因素。而對比兩種背吃刀量下的毛刺形貌，ap=3 μm 時，毛刺分布不均勻，部分區(qū)域毛刺尺寸較大；而ap=6 μm 時，毛刺的平均尺寸較小，分布相對較為均勻，且沒有尺寸過大的毛刺。故綜合考慮銑削過程中銑削力、加工表面質(zhì)量及毛刺現(xiàn)象，選取ap=6 μm、fz=1.75 μm/z 為較優(yōu)銑削參數(shù)。

2.3 高深寬比槽制備研究

為了驗證該復(fù)合加工工藝的有效性，利用上述優(yōu)選的激光參數(shù)及銑削參數(shù)制備深寬比為3 的高深寬比微槽。選取激光功率為4 W，掃描速度為1 mm/s，銑削參數(shù)為ap=6 μm，fz=1.75 μm/z，同時以相同的銑削參數(shù)采用傳統(tǒng)銑削方法加工相同的微槽。通過測量加工過程中的銑削力以檢測加工過程的平穩(wěn)性，并實時反映銑刀磨損程度。圖10 為不同工藝下銑削力隨微槽總深度的變化圖。在該工藝參數(shù)下，氧化層及亞表層總體厚度為41 μm，考慮到氧化過程存在誤差，所以每次氧化后去除50 μm 的材料再進(jìn)行下一次氧化。由于銑削氧化層時銑削力很小，幾乎可忽略不計，所以主要測量銑削亞表層及部分基體材料時的力，每100 μm 測量1 次。從圖10 中可以看到兩種工藝下，切削力剛開始是相近的，在槽深100 μm 時常規(guī)銑削的Fx與Fy分別為1.56 N 和0.68 N，激光誘導(dǎo)氧化工藝的Fx與Fy分別為1.47 N 和0.67 N。而隨著切削深度的增加，刀具逐漸磨損，兩種工藝的銑削力都逐漸增加，但是激光誘導(dǎo)氧化工藝下的銑削力增長幅度明顯小于常規(guī)銑削下的。當(dāng)槽深達(dá)到1500 μm 時，傳統(tǒng)銑削的Fx與Fy分別增長到3.64 N 和1.63 N，而采用復(fù)合加工工藝的Fx與Fy僅增長到2.24 N 和0.99 N，降低了38%。該現(xiàn)象是由于采用激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削工藝加工時，微銑刀主要去除疏松的氧化層，刀具磨損極小，主要磨損來自于切削亞表層和少量基體材料，所以該工藝可以大大提高銑刀的使用壽命，減少加工成本。

為了進(jìn)一步對比兩種工藝的加工質(zhì)量，觀察兩種工藝下高深寬比槽的出口形貌，如圖11 所示。采用常規(guī)銑削工藝加工的高深寬比槽底部出口毛刺現(xiàn)象嚴(yán)重，并且槽底與側(cè)壁之間夾角具有一定的弧度。該現(xiàn)象主要是刀具磨損導(dǎo)致的，由于銑刀刃口變鈍，所以加工出來的槽底邊角也變鈍，加工質(zhì)量較差。而采用復(fù)合工藝加工的高深寬比槽出口質(zhì)量較好，出口毛刺較少，且槽底與側(cè)壁之間的垂直度較好，顯然此時刀具仍然保持相當(dāng)?shù)匿h利度，磨損較少。

圖8 不同參數(shù)下加工表面形貌的SEM 圖Fig.8 SEM images of the surfaces machined with different cutting parameters

圖9 不同背吃刀量及每齒進(jìn)給量下的表面粗糙度Fig.9 Surface roughness under different depths of cut and feed per tooth

圖10 不同工藝中銑削力隨總切削槽深的變化Fig.10 Variation of milling force with total milling depth in different processes

圖11 高深寬比槽出口形貌SEM 圖Fig.11 SEM images of exits of the groove with an aspect ratio of 3: a) conventional

3 結(jié)論

1）TA19 鈦合金可在激光輻照及氧氣輔助下生成疏松多孔易去除的氧化層，氧化產(chǎn)物主要有銳鈦礦型TiO2與金紅石型TiO2等。一定功率范圍內(nèi)，激光功率增加會促進(jìn)氧化反應(yīng)的進(jìn)行，但功率過高會產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，影響氧化效果。激光掃描速度的增加會減少單位區(qū)域吸收的能量，并提高氧化層生成的速度，但過高會使溫度不足，影響氧化效果?？紤]不同參數(shù)下的氧化效果，選取激光功率為4 W、掃描速度為1 mm/s為較好的參數(shù)組合。

2）在3 μm 與6 μm 兩種背吃刀量下，隨著每齒進(jìn)給量的增加，銑削力相應(yīng)增大，而在每齒進(jìn)給量相同時，兩種背吃刀量下的銑削力相近，說明銑削力與背吃刀量關(guān)系不大。表面粗糙度受背吃刀量的影響較小，其隨著每齒進(jìn)給量的增加而先降低后上升，fz=1.75 μm/z 時達(dá)到最低。進(jìn)給速度對毛刺的影響較小，而背吃刀量為6 μm 時，毛刺相對尺寸較小。綜合考慮銑削力，表面質(zhì)量及毛刺現(xiàn)象，選取銑削參數(shù)為ap=6 μm、fz=1.75 μm/z 為較優(yōu)參數(shù)。

3）采用激光誘導(dǎo)氧化輔助微細(xì)銑削工藝加工高深寬比槽，與常規(guī)銑削加工相比，銑削力更小，刀具磨損減少，且加工質(zhì)量更佳，表明了該工藝可有效改善材料的切削加工性，提高刀具的使用壽命。