鈦合金切削加工研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

周知進(jìn)，王宗正，林家祥，周茜琳

1廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

鈦合金被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，提高鈦合金切削性能，使其加工成本更低，并開發(fā)出性能更好的新型鈦合金是鈦合金加工的主要研究方向。鈦合金三種基體組織——α合金、(α+β)合金和β合金，我國分別以TA、TC和TB表示，其中TC4鈦合金最受青睞。國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金開展了大量研究工作，其中以對TC4鈦合金的研究居多。

2 鈦合金切削工藝研究進(jìn)展

2.1 切削參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化切削參數(shù)對于提高生產(chǎn)效率和改善表面質(zhì)量等有著至關(guān)重要的影響，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。胡偉楠[1]對TC4高速切削的不同切削參數(shù)組合進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在切削速度v=72.2～101m/min，切削深度ap=0.5mm，進(jìn)給量f=0.11mm/r時，TC4鈦合金的切削加工性能較為理想，且加工表面質(zhì)量優(yōu)于低速范圍。郭濤[2]通過制定新的TC17零件車銑復(fù)合加工工藝路線，并用車削試驗優(yōu)化切削參數(shù)，設(shè)計了將加工效率提升三倍的夾具。孫程成[3]根據(jù)槍鉆的全因素實驗結(jié)果選取了最優(yōu)加工參數(shù)，制定了TC4舵骨架零件高精度深孔的加工工藝方案，但測量值在技術(shù)要求范圍的邊緣，需要進(jìn)一步改進(jìn)。續(xù)文浩[4]提出了基于葉片型面余量分布的變進(jìn)給優(yōu)化方法，并優(yōu)化了葉片型面粗銑加工的進(jìn)給參數(shù)。王勝等[5]采用逐步增大切削參數(shù)的方法對雙刃PCD刀具銑削TC4鈦合金進(jìn)行了工藝優(yōu)化，獲得了令PCD銑刀耐用度與壽命較長、工件表面質(zhì)量與形貌較好的工藝參數(shù)。

杜紅春等[6]采用量子粒子群算法對傳統(tǒng)的Kriging變異函數(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將誤差從(-20，10)縮小到(-15，10)，得到了精度較高的數(shù)學(xué)模型。趙云琨[7]以低殘余應(yīng)力為目標(biāo)，將最大壓應(yīng)力、最大壓應(yīng)力層、最大拉應(yīng)力和最大拉應(yīng)力層作為目標(biāo)函數(shù)，利用評價函數(shù)法對其進(jìn)行了優(yōu)化。Sui Shaochun等[8]采用響應(yīng)面法解釋了銑削溫度隨加工參數(shù)的變化規(guī)律，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并驗證了其顯著性。

將田口法與灰色關(guān)聯(lián)度理論相結(jié)合，可對TB17鈦合金的疲勞性能及表面完整性進(jìn)行優(yōu)化分析，但不足之處是計算灰色關(guān)聯(lián)度時未考慮權(quán)重系數(shù)且測量因素不夠全面[9，10]。W.Mersni等[11]采用球頭立銑刀銑削傾斜角度為25°的TC4工件，未獲得最佳的三維平均表面粗糙度，采用田口法對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，利用信噪比分析得出的表面粗糙度最優(yōu)水平，并用實驗驗證了其有效性。

在遺傳算法的應(yīng)用方面，劉楊[12]利用遺傳算法基本原理構(gòu)建參數(shù)優(yōu)化模型，并使用MATLAB軟件進(jìn)行了多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，但被研究對象局限性較大且通用性較差。此外，采用NSGA-II遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化也是一種可行方法[13]，陸濤[14]在有限元模擬仿真的基礎(chǔ)上，采用MATLAB遺傳算法工具箱進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，但是其建模過程中忽略了刀齒數(shù)和刀具角度等因素的影響，模型的通用性有所欠缺。

在鈦合金薄壁件加工研究方面，陳國三[15]通過研究各因素對加工變形的影響程度獲得了令變形最小的參數(shù)組合。陳虹宇[16]繪制了薄壁件銑削過程中關(guān)于銑削參數(shù)的三維穩(wěn)定性圖，并通過正交實驗法進(jìn)行驗證，得到了最優(yōu)加工參數(shù)。陳婷婷[17]以提高切削瞬時區(qū)域剛度為目標(biāo)進(jìn)行了剛度優(yōu)化試驗，最終加工出厚度差值不到0.06mm、彎扭變形不到0.1mm的鈦合金薄壁腹板。章熠鑫[18]從減小切削力和增大工藝系統(tǒng)剛度兩方面對薄壁件加工進(jìn)行了優(yōu)化，但其建立的切削力預(yù)測模型無法對不同工件結(jié)構(gòu)及不同刀具進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

魯炎鑫[19]的研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)毒呶撮_始磨損時，其對工件表面z方向粗糙度的影響程度排序為切削速度>每齒進(jìn)給量>銑削寬度>銑削深度；當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p寬度VB=0.05mm時，對工件表面z方向粗糙度的影響排序變?yōu)榍邢魉俣?銑削寬度>銑削深度>每齒進(jìn)給量。羅秋生等[20]的研究表明，冷塑性變形引起的殘余壓應(yīng)力在高速銑削TC17鈦合金中占主導(dǎo)地位，同時以低應(yīng)力為目標(biāo)得到了最優(yōu)的銑削參數(shù)。V.Krishnaraj等[21]研究發(fā)現(xiàn)，切削深度和進(jìn)給速度對切削力影響最大，而切削速度對溫度影響最大，并給出了所研究的加工范圍內(nèi)適合高速加工的參數(shù)。Luo Ming等[22]的研究表明，每齒進(jìn)給量和徑向切削深度對刀具磨損有很大影響。為了減少刀具磨損，推薦切削參數(shù)為每齒進(jìn)給量ft≤0.07mm/z，徑向切削深度ae≤1.0mm，軸向切削深度ap≤2.0mm，切削速度可設(shè)置為60～150m/min。Ma Jianwei等[23]研究表明，鈦合金曲面高速銑削的切削力與曲面幾何特征及主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，為了使切削力最小，在主軸轉(zhuǎn)速2000～23000r/min范圍內(nèi)進(jìn)行實驗研究，得到主軸轉(zhuǎn)速的最佳范圍是9000～13000r/min。

2.2 加工表面完整性

加工過程造成的零件表面缺陷往往是零件破壞的源頭，因此各國學(xué)者越來越重視針對表面完整性的研究。

Thomas Meurig等[24]提出，目前對表面完整性的研究主要集中于宏觀特征層面，但對高速銑削過程中產(chǎn)生的亞表面微觀組織損傷鮮有關(guān)注。為此，張一鳴[25]選取表面粗糙度等5個參數(shù)作為評價指標(biāo)，以TA11和TC4鈦合金為試驗對象，從單一加工方式入手，得出了多工序連續(xù)加工對各評價指標(biāo)的影響規(guī)律。而杜舜堯[9]則選擇了表面粗糙度、表面加工硬化、表面殘余應(yīng)力及表面形貌作為評價指標(biāo)，以新型TB17鈦合金為試驗對象進(jìn)行了研究。在多工步連續(xù)加工方面，侯冠明[26]對鈦合金進(jìn)行了兩工步和三工步車削加工，分別選擇粗加工切削參數(shù)和半精加工切削參數(shù)為變量，得出了下一工步表面完整性受上一工步參數(shù)變化的影響規(guī)律。

在對表面殘余應(yīng)力的研究中，孟龍暉[27]研究認(rèn)為，對最表層殘余應(yīng)力分布影響最大的是切削溫度，對次表層殘余應(yīng)力分布影響最大的是切削力，但是沒有對材料的相變做進(jìn)一步研究。增大刀尖圓角半徑和刀具前角會令表層殘余壓應(yīng)力大幅度減小，升高工件預(yù)熱溫度也會令工件次表面殘余壓應(yīng)力減小[28]，降低每齒進(jìn)給量和銑削速度、提高銑削深度都會令表面殘余壓應(yīng)力變大[20]。TC4鈦合金表層最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在深度約0.05mm處，深層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在深度約0.3mm處，隨著切削速度變化，殘余應(yīng)力層的深度分布無明顯變化[29]。Yang Dong等[30]提出了一種將有限元方法與統(tǒng)計模型相結(jié)合的混合方法，在有限元模擬的基礎(chǔ)上采用粒子群優(yōu)化方法擬合指數(shù)阻尼余弦函數(shù)，研究了表面殘余應(yīng)力、壓應(yīng)力峰值、位置和響應(yīng)深度四個因素對切削速度和進(jìn)給速度的影響，隨著切削速度和進(jìn)給量的增加，殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，壓應(yīng)力峰值減小，位置和響應(yīng)深度增大。Xin Hongmin等[31]發(fā)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，但隨切削深度和進(jìn)給速度的增大而增大；隨著切削深度增加，殘余壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力并最終消失。

在表面粗糙度方面，有研究表明，顫振表面的粗糙度值是平穩(wěn)表面的四倍以上，為了盡量降低或消除顫振，建議采用多齒數(shù)、大刀徑、高轉(zhuǎn)速及小進(jìn)給的加工策略[32]，但該研究的缺點(diǎn)是對表面質(zhì)量研究時所選的指標(biāo)不夠全面。趙偉靜[33]通過單因素試驗研究了不同范圍的砂輪線速度和進(jìn)給速度對表面粗糙度值的影響規(guī)律。李軍等[34]和王曉明等[35]研究發(fā)現(xiàn)，對表面粗糙的的影響程度為銑削寬度>每齒進(jìn)給>銑削速度>銑削深度，且顯微硬度的最大值出現(xiàn)在已加工表面的表層，其數(shù)值比基體增加了13%～50%，最小值出現(xiàn)在表面層深度20μm處。而V. Krishnaraj等[21]的實驗結(jié)果表明，進(jìn)給量對表面粗糙度的影響較小，原因可能是所用刀片具有雨刷幾何形狀。周子同等[36]進(jìn)行TB6鈦合金銑削試驗發(fā)現(xiàn)，v線<40m/min或v線>100m/min時粗糙度值較低，又因為進(jìn)給量是影響粗糙度的主要因素，因此在此范圍內(nèi)選取線速度以及較低的進(jìn)給量可以獲得較低的表面粗糙度值。W.Mersni等[11]研究表明，對表面粗糙度影響程度的大小是徑向切削深度>切削速度>每齒進(jìn)給量。另有研究認(rèn)為切削速度對表面粗糙度有明顯影響，分析可能是由于齒槽銑削過程中刀片的擦拭作用導(dǎo)致[37]。

為了探究刀具幾何參數(shù)和工藝參數(shù)對表面完整性的影響，宋緒浩[38]研究了工藝參數(shù)對TC4加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律及微觀機(jī)理。通過對典型鈦合金TC1、TC4和TA5進(jìn)行對比實驗得出，切削深度是對鈦合金加工表面質(zhì)量影響最小的因素，想要獲得7級以上的表面光潔度，推薦在進(jìn)給量f≤0.16mm/r、刀具磨損量VB≤0.3mm的條件下進(jìn)行加工[39]。孫明杰[40]分別對不同退火方式的TB6和TC4鈦合金的銑削加工工藝進(jìn)行研究，得出了銑削參數(shù)對各表面完整性評價指標(biāo)的影響規(guī)律。在TC17銑削過程中，刀具取向?qū)Ρ砻嫘蚊?、殘余?yīng)力和表面粗糙度影響較大，但對顯微硬度影響較小，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°～90°、傾角為30°～60°時，表面完整性最佳[41]。Li Yu等[42]對TC17鈦合金進(jìn)行了相似研究，結(jié)果表明，銑削速度、每齒進(jìn)給量和銑削深度對表面組織的影響較小，且未產(chǎn)生明顯相變。

李鋒等[43]通過進(jìn)行TC11銑削試驗得出，要想得到較小的表面粗糙度和殘余應(yīng)力，刀具磨損應(yīng)避免進(jìn)入劇烈磨損階段，即磨損量不應(yīng)超過0.3mm。楊后川等[44]研究認(rèn)為，精加工TB6鈦合金時刀具磨損量小于0.2mm的條件下表面完整性較好。

2.3 潤滑冷卻

選擇合理的潤滑冷卻方式可以起到降低切削力和切削溫度，以及延長刀具壽命的作用，尤其對于鈦合金材料，可以起到改善切削性能的作用。

一般孔徑的TC4鈦合金材料，深孔鉆削加工系統(tǒng)和刀具選用普通乳化液即可起到很好的冷卻及潤滑作用[45]。楊曉勇[13]研究發(fā)現(xiàn)，在一定的銑削速度范圍內(nèi)，干切削與使用乳化液切削得到的表面完整性非常相近。Surojit Ganguli等[46]對鈦合金在應(yīng)用不同切削液應(yīng)用下的切削性能進(jìn)行了比較，ACF噴霧系統(tǒng)可使刀具后刀面磨損均勻，降低切削力，提高表面光潔度，且刀具壽命比溢流冷卻條件下的提高達(dá)75%，形成的切屑比溢流冷卻更短、更薄。Naoto Ishii等[47]利用可選光纖的雙色高溫計測量刀具邊緣溫度，提出了基于刀具邊緣溫度測量的切削液評價方法。

黃丙琪[48]提出了通過熱/冷復(fù)合切削鈦合金的方法，研究了超聲霧化水基切削液、超聲霧化MoS2切削液、MQL水基切削液與25W、50W功率的激光分別進(jìn)行復(fù)合切削，并將刀具磨損程度與單獨(dú)的冷效應(yīng)方法和激光加熱法進(jìn)行了比較，但是該研究主要在中低速條件下進(jìn)行切削試驗，其結(jié)論不一定適用于高速切削。

Kyung-Hee Park等[49]還采用了一種新型微量潤滑技術(shù)，即在潤滑劑中加入少量(～0.1%)脫落石墨納米片(xGnPs)，與其他技術(shù)的對比結(jié)果表明，低溫加工和MQL均優(yōu)于干濕加工，但MQL與納米顆粒相結(jié)合(MQLN)加工的PV比(峰谷比)最低。Kyung-Hee Park等[50]的研究還表明，在TC4鈦合金的深軸向切削深度加工中，向增強(qiáng)的MQL中添加hBN納米顆粒并結(jié)合內(nèi)部低溫冷卻，結(jié)果比傳統(tǒng)驅(qū)油冷卻條件下的刀具壽命提高了32%。

2.4 切屑研究

在切削過程中如果斷屑出現(xiàn)問題容易造成刀具損壞，降低加工表面質(zhì)量，甚至影響機(jī)床正常工作和操作人員的安全。

普通銑削的切屑表面非常粗糙并具有大量連續(xù)帶狀條紋，且存在嚴(yán)重塑性變形，高速超聲橢圓振動銑削的切屑呈針狀，寬度明顯窄于普通銑削切屑，切屑表面較為光滑，紋理分布均勻，其塑性變形也明顯較小[51，52]。邵振宇等[53]使用八面鉆結(jié)合超聲振動鉆削技術(shù)進(jìn)行了無冷卻條件實驗，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的切屑比普通鉆削的切屑短很多。

高速銑削實驗結(jié)果表明，影響切屑形態(tài)最主要的因素是切削速度，增大切削速度會使得切屑形狀更為規(guī)則，毛邊數(shù)量下降，裂紋減少，背面劃痕消失，且單元尺寸增大[54，55]。高速切削條件下，切屑的鋸齒化程度與切削深度和刀具前角成反比，與切削速度成正比；而進(jìn)給量對鋸齒形狀的影響不明顯[29]，因此可以通過選擇適當(dāng)?shù)牡毒咔敖莵砜刂魄行夹螤?。王來照等[56]通過對TC4鈦合金進(jìn)行高速干銑削單因素加工試驗發(fā)現(xiàn)，隨著銑削速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和軸向切削深度的增加，鋸齒的間距齒寬和齒高越來越大，切屑鋸齒化程度逐漸增加。

孟龍[28]通過系統(tǒng)分析各因素對切屑形態(tài)的影響得出，在一定范圍內(nèi)，隨著刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量的增大，切屑鋸齒的數(shù)量呈上升趨勢，刀具前角與切屑卷曲程度成正比，而刀尖圓角半徑對切屑的影響較小。Li Anhai等[57]通過PCD刀具高速銑削TC4鈦合金實驗發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的增加(125～2000m/min)，切屑的變化規(guī)律為長直線型→螺旋形→卷曲形→不規(guī)則形，且觀察到切屑的自由表面呈鋸齒狀片層結(jié)構(gòu)，切削速度越快，薄層越清晰明顯。

2.5 切削工藝發(fā)展趨勢

2.5.1 超聲振動切削

超聲振動輔助切削是通過將刀具與工件進(jìn)行周期性分離來輔助加工的一種加工方式，具有切削力小、加工精度高、切削溫度低和切削表面粗糙度低等優(yōu)點(diǎn)，是一種革命性的加工工藝。

2017年3月，焦峰等[58]提出將超聲振動和高速加工技術(shù)有效復(fù)合來獲取更高的加工效率。同年10月，高速超聲振動切削的概念被張翔宇等正式提出[59]，其切削力與普通切削相比減少了20%～50%，且刀具壽命提高了1.5～3.0倍，并可以在長時間加工過程中將表面粗糙度保持在0.4μm以下。2021年，該團(tuán)隊通過分析運(yùn)動軌跡與運(yùn)動方程，計算得出超聲振動切削的進(jìn)給量需要小于兩倍刀具振幅，且相位差距離π越近，分離效果越好[60]。在高速超聲振動切削的基礎(chǔ)上，Liu Jiajia等[61]提出了一種高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動輔助銑削加工方法，該方法可以顯著提高切削效率，減少更換刀具的時間。

倪陳兵等[52]研究表明，隨著振動振幅的增加，x和y方向的切削力最多可降低60%。邵振宇等[53]使用八面鉆結(jié)合超聲振動鉆削技術(shù)、在無冷卻條件下進(jìn)行鉆削試驗發(fā)現(xiàn)，鉆削力比普通鉆削降低了20%左右，扭矩降低了31.66%～34.3%。在TC4薄壁件超聲振動輔助立銑削過程中，各因素對誤差的影響程度為軸向切削深度>超聲振幅>每齒進(jìn)給速度>徑向切削深度>切削速度[62]。

2.5.2 微切削

如今，醫(yī)療組件和通信信息設(shè)備逐漸向小型化和輕量化方向發(fā)展，又由于鈦被廣泛地用作這類設(shè)備的零件材料，對鈦零件進(jìn)行必要的微加工和銑削便成為了當(dāng)下的主要研究方向。

王瑛[63]研究發(fā)現(xiàn)，微切削中切削速度對磨損量的影響比切削深度大，且增大切削深度(0.1～0.5mm)會使得刀具壽命減少一半，但加工效率提高約4倍。Koji Tsuda等[64]使用直徑小于1mm的方形微型立銑刀進(jìn)行實驗，結(jié)果表明，當(dāng)干切削的切削速度從50m/min增至200m/min時，表面粗糙度的大小差別不大，可以進(jìn)行高速切削，切削液在微型立銑刀銑削時有抑制凝集作用，刀具不會產(chǎn)生熱裂紋。

3 鈦合金切削刀具研究現(xiàn)狀

對于鈦合金這種難加工材料，其性能決定了對切削加工的要求極高，這也使得刀具選擇、刀具幾何參數(shù)優(yōu)化以及開發(fā)新刀具變得尤為重要。

3.1 刀具結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

3.1.1 刀具幾何參數(shù)

楊東[65]研究了刀具前角與刀具刃口鈍圓半徑等因素對切削方向和切削寬度方向殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，且與文獻(xiàn)[29]所得的規(guī)律基本相同。

張建飛[66]利用遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化程序優(yōu)化了刀具幾何參數(shù)，但是只考慮了刀具前角、后角和鈍圓半徑三個參數(shù)，不夠全面。Ren Junxue等[67]使用與田口法相結(jié)合的灰色關(guān)系分析，將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為灰色關(guān)聯(lián)等級的單一目標(biāo)優(yōu)化，對BT22鈦合金末端銑削進(jìn)行了刀具幾何參數(shù)優(yōu)化。

徐九華等[68]認(rèn)為PCD刀具整個刀刃失效的原因是刀具前角和后角過大，刀具強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致嚴(yán)重崩刃，經(jīng)過改進(jìn)刀具幾何參數(shù)，在相同條件下對退火后的TA15鈦合金切削30min，切削刃不再出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。Bai Jinxuan等[69]對刀具幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，使用該P(yáng)CD刀具切削TC4鈦合金的表面粗糙度Ra=75nm，優(yōu)于大多研究值。

3.1.2 刀具磨損

在刀具磨損形式方面，整體硬質(zhì)合金立銑刀銑削TC4鈦合金時，刀具前刀面發(fā)生氧化磨損和黏結(jié)磨損，產(chǎn)生機(jī)械裂紋和熱裂紋，不同的是后刀面沒有熱裂紋產(chǎn)生[70]。PCD刀具的主要磨損特征為刀尖磨損、后刀面磨損和前刀面磨損，且較小刀具鈍圓半徑以及較大前角和后角有利于減少缺陷數(shù)量和亞表面損傷層厚度[69]。羅學(xué)全等[71]探究了PVD涂層刀具在TC4高速銑削加工中的磨損形式，發(fā)現(xiàn)刀具的前后刀面都以黏結(jié)磨損為主，而刀具的刃口以黏結(jié)磨損和熱—機(jī)械疲勞磨損為主。

在刀具磨損影響因素的研究中，何耿煌等[39]研究發(fā)現(xiàn)，刀具磨損是導(dǎo)致表面硬化最主要的因素，若磨損量從0.2mm增加到原來的3倍，則其表面硬化程度也將會增加到原來的3倍。此外，每齒進(jìn)給量和徑向切削深度對刀具磨損影響較大，軸向切削深度和切削速度對刀具磨損影響較小[22]。微織構(gòu)球頭銑刀銑削鈦合金時，前刀面和刀屑接觸區(qū)域極易發(fā)熱和磨損，而刀尖處溫度受影響較小，刀具表面的溫度分布較為均勻[72]。王瑛[63]通過理論計算表明，Co元素是引起硬質(zhì)合金刀具在加工過程中發(fā)生擴(kuò)散磨損的主要元素。

由于現(xiàn)有刀具磨損評價方法并不能適用于所有切削情況，閔令臣[73]通過觀察銳利刀具切削鈦合金時的刃口磨損過程，提出了基于刃口鈍圓磨損的刀具磨損評價方法。在刀具選擇上，Shi Qi等[74]對TC21鈦合金的切削性能進(jìn)行了多項試驗研究，對刀具壽命的分析得出，WK10的刀具壽命足夠長，磨損形式相對良好，是目前更適合加工TC21鈦合金的刀具。

3.2 新型刀具

3.2.1 表面織構(gòu)刀具/微織構(gòu)刀具

蘇永生[75]分別使用YG8微溝槽刀具和PCD微溝槽刀具在干切削和低溫微量潤滑條件下進(jìn)行試驗，分析了微溝槽刀具改善摩擦狀況的作用機(jī)理。

3.2.2 涂層刀具

胡偉楠[1]通過實驗發(fā)現(xiàn)，PVD涂層硬質(zhì)合金刀具高速切削TC4鈦合金的性能比CBN立方氮化硼刀具更好。羅勝[76]對六種硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行了TC4鈦合金切削試驗，發(fā)現(xiàn)拋光處理后的刀片切削性能更好，且拋光PVD刀片的耐用度要優(yōu)于磨削刀片。Wilma Polini等[77]采用三種涂層硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行TC4鈦合金加工試驗，其中單層TiAlN刀具比多層TiAl和多層TiAlN涂層刀具的切削力更小，壽命更長，平均表面粗糙度相對最小。切削速度為200m/min時，TiAlN、TiCN、DLC涂層硬質(zhì)合金刀具和未涂層硬質(zhì)合金刀具在磨損過程中的刀具壽命表現(xiàn)為未涂層刀具

林鳳添[81]通過添加TaC(NbC)制備了新的硬質(zhì)合金刀具，在800℃時，該刀具的硬度比未添加TaC(NbC)時提高約14.5%，斷裂韌性提高約10.2%，且刀具磨損更輕微，刀具壽命更長。

Matthew S.Dargusch等[82]對四種硬質(zhì)合金涂層刀具在兩種不同速度下進(jìn)行了激光輔助加工(LAM)測試，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的刀具涂層不能完全解決磨損問題，因此認(rèn)為LAM領(lǐng)域的工作應(yīng)集中于開發(fā)新一代刀具以及刀具冷卻策略。

3.2.3 仿生刀具

姜振喜[70]通過觀察玉米葉子邊緣齒形，設(shè)計了具有特殊槽型和微刃結(jié)構(gòu)的立銑刀，與普通立銑刀相比，仿生刀具的切削振動和切削溫度更低。但是刀具結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系以及刀具耐用度等方面的研究尚不全面。

4 鈦合金切削仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元仿真的應(yīng)用開始普及，精確性也逐漸提高，對降低試驗成本和提高生產(chǎn)效率起到重要作用。

唐柏清[83]建立了硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金的磨損仿真模型，隨著時間增加，前刀面磨損的仿真值與實驗值的變化趨勢越來越吻合。孫玉晶等[84]在構(gòu)建類似模型后，利用AdvantEdge的二次開發(fā)技術(shù)，將其嵌入有限元模型中，對材料失效模型進(jìn)行了分析。張富君[85]將切屑成形過程仿真與刀具磨損率數(shù)學(xué)模型相關(guān)聯(lián)，形成刀具磨損仿真系統(tǒng)，確定了刀具磨損仿真路線。錢麗麗[86]基于ABAQUS軟件進(jìn)行二次開發(fā)，將不同功能集成到有限元仿真平臺上，實現(xiàn)了加工過程的快速仿真。

楊東[65]將有限元模型與殘余應(yīng)力輪廓函數(shù)模型相結(jié)合，建立了殘余應(yīng)力預(yù)測綜合模型，但是其研究存在一定的假設(shè)條件，對實際加工參數(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，在數(shù)值上存在偏差。孟龍[28]建立的TC4高速銑削二維有限元模型，在銑削力、銑屑形態(tài)和銑削表面殘余應(yīng)力三個方面的誤差皆不超過21.4%。在模擬切削參數(shù)對殘余應(yīng)力分布影響的過程中，如果想要得到較大的工件表層殘余壓應(yīng)力，推薦選擇較小刀具前角、較大刀具后角和較大刃口半徑[29]。

周培培[87]模擬了高速車削TC4與TA15鈦合金過程，發(fā)現(xiàn)切削力跟鋸齒形切屑的變化趨勢十分接近，切削力隨著切屑的形成迅速減小。Huang Shutao等[88]在鈦合金大切削深度準(zhǔn)高速銑削模型的基礎(chǔ)上，研究了切削溫度和切削力隨切削參數(shù)變化的規(guī)律，其中最大切削溫度出現(xiàn)在刀尖圓弧型面的切削刃處(800℃左右)。

在三維切削仿真研究方面，孟龍暉[27]將正交切削仿真和正交壓痕仿真相結(jié)合，代替了三維切削仿真。陳國三[15]通過建立高速切削三維有限元模型，對切屑的形成過程進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力值和最大切削溫度分別出現(xiàn)在第Ⅰ變形區(qū)和第Ⅱ變形區(qū)，僅對模型底部進(jìn)行完全約束，未考慮夾緊及夾具的定位對加工變形的影響。陳婷婷[17]建立了變剛度三維仿真模型和熱力耦合三維動態(tài)銑削模型，并將誤差控制在0.0681mm和0.0255mm內(nèi)，但是為減小計算量，兩種模型均是簡化模型。 Lin Youxi等[89]建立了高速銑削TC4鈦合金的三維全熱—力耦合有限元模型，對銑削溫度進(jìn)行模擬分析結(jié)果表明，銑削熱只影響被加工表面層的溫度，刀具溫度隨銑削速度和徑向切削深度的增加而升高且影響小于切削速度。Wang Zhenda等[90]在TC4鈦合金三維銑削有限元仿真模型的基礎(chǔ)上研究得出切削參數(shù)對銑削力的影響程度為軸向切削深度>刀具速度>進(jìn)給速度。

王瑛[63]通過建立斜切模型，對最小切削厚度進(jìn)行了仿真計算，降低了切削厚度的設(shè)置誤差導(dǎo)致的最終仿真誤差。武永甫[91]考慮刀具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動，通過建立二維變厚度連續(xù)銑削仿真模型，實現(xiàn)了連續(xù)銑削的數(shù)值模擬。

5 預(yù)測模型研究現(xiàn)狀

目前，實際加工中主要以試切法來調(diào)整工藝參數(shù)，建立切削預(yù)測模型對生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

張建飛[66]利用二階響應(yīng)面法建立了刀具幾何參數(shù)對切削溫度和切削力的預(yù)測數(shù)學(xué)模型，但參數(shù)考慮不全面。胡敏敏[92]將雙重響應(yīng)曲面法的二次回歸模型與田口法設(shè)計的正交試驗結(jié)合，求解得到了平均誤差為5.82%的切削力預(yù)測模型，基于響應(yīng)曲面法建立了平均誤差為13.64%表面粗糙度預(yù)測模型。王曉明等[35]利用多元線性回歸分析計算得出關(guān)于表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了顯著性檢驗，其最大誤差為8.9%。

丁寶洋等[93]在磨損機(jī)理和熱力耦合條件的基礎(chǔ)上建立正反饋模型及Simulink計算方法，并進(jìn)行了刀具磨損實驗，發(fā)現(xiàn)整體預(yù)測誤差在22%以下。劉智博[94]通過MATLAB軟件將不同時刻的磨損代入經(jīng)驗公式中，得到相應(yīng)的常數(shù)從而建立了刀具磨損預(yù)測模型，經(jīng)與實驗結(jié)果比較，得出誤差在30%以內(nèi)。Zhao Zemin等[95]將刀具壽命重新定義為表面粗糙度的函數(shù)，提出了基于時變磨損模型的刀具壽命幾何分析方法用于評價刀具磨損與壽命之間的關(guān)系。

Wang Z.G.等[96]基于高速銑削的有限元模擬結(jié)果和奧克斯利理論，提出了一種新的混合切削力模型，該模型引入更復(fù)雜的刀—屑界面摩擦模型，消除了奧克斯利模型中刀—屑界面法向應(yīng)力均勻分布的假設(shè)。Chen Yun等[97]在正交切削預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，利用Johnson-Cook材料模型和考慮工具熱性能的熱模型，將熱機(jī)械效應(yīng)納入其中，建立了TC4鈦合金的銑削力預(yù)測模型，但預(yù)測的銑削力波形圖在相寬方面與實驗結(jié)果存在差異，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

6 結(jié)語

國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金切削過程進(jìn)行了廣泛研究，在切削參數(shù)優(yōu)化、摩擦潤滑、刀具參數(shù)優(yōu)化、仿真技術(shù)以及新型切削技術(shù)等方面取得了諸多突破性進(jìn)展，揭示了鈦合金切削機(jī)理及切削規(guī)律，今后可繼續(xù)以提高鈦合金切削性能為目標(biāo)進(jìn)行更深層次的研究。

(1)在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，往往對研究對象的局限性較大，或是為了減少計算量而忽視部分因素，使研究結(jié)果的通用性較差，今后可將提高通用性為目標(biāo)繼續(xù)研究。

(2)在加工表面完整性研究方面，由于表面完整性的評價指標(biāo)以及影響因素較多，所以對于表面完整性的分析不夠充分，今后可以建立健全表面完整性評價系統(tǒng)。

(3)由于鈦合金在低溫下的優(yōu)良切削性能，有必要對超低溫冷卻技術(shù)進(jìn)行研究。

(4)為了在激光輔助加工方面實現(xiàn)突破，應(yīng)將研究重心放在開發(fā)新型刀具以及刀具冷卻方面。

(5)對于切削仿真技術(shù)方面的研究應(yīng)該以提高模型精度為目標(biāo)，考慮的因素應(yīng)盡可能全面，優(yōu)化算法，降低整體預(yù)測誤差，使結(jié)果更接近實際。