Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助車削加工實驗研究

馮耿超,黎小輝,王海波*

（1.深圳市世格賽思醫(yī)療科技有限公司，廣東 深圳 518101；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機電工程與自動化學(xué)院，廣東 佛山 528225）

鈦合金因具有高的比強度、優(yōu)秀的耐腐蝕性能、良好的低溫力學(xué)性能等優(yōu)異特性而被廣泛應(yīng)用于飛機、火箭、導(dǎo)彈及航空發(fā)動機制造等航空航天領(lǐng)域中［1-5］。以Ti-6Al-4V為代表的鈦合金材料近年來在汽車、造船、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域開拓了新的應(yīng)用市場，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益［6-8］。但鈦合金導(dǎo)熱性差、塑性低、加工硬化嚴(yán)重、彈性模量小等諸多加工性缺點也造成了其切削加工生產(chǎn)效率低下、成本高昂等生產(chǎn)制造難題［4，8-9］。因此，鈦合金材料的高效低成本切削加工技術(shù)一直是機械加工領(lǐng)域研究的重要課題。

電脈沖作為一種輔助外場在金屬材料的塑性加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。所謂電致塑性，是指在難加工金屬材料的塑性成形過程中對其施加電脈沖等物理外場，材料受到電場或電磁場作用，內(nèi)部位錯纏結(jié)打開、位錯運動速度加快、變形抗力降低、塑性顯著提高的現(xiàn)象，其可實現(xiàn)金屬材料的高效塑性成形加工［10］。電脈沖可顯著改善金屬材料的塑性加工性能，引發(fā)再結(jié)晶、相變、應(yīng)力釋放及微觀結(jié)構(gòu)演變，對材料的強度、塑性、內(nèi)部組織及疲勞壽命產(chǎn)生重大影響［11-21］。國內(nèi)外很多專家學(xué)者都對電致塑性的作用機理進行過深入探索，并在金屬材料的拉拔、軋制、熱處理等很多方面開展了應(yīng)用研究［22-28］。但關(guān)于電脈沖在金屬材料切削加工過程中的應(yīng)用研究卻鮮有報道。本研究將電脈沖引入到Ti-6Al-4V合金的車削加工中，使主切削力、表面加工硬化和軸向表面粗糙度明顯下降，表面加工質(zhì)量得到顯著提高，并對電脈沖輔助車削加工的作用機理做出了探索解釋。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用材料為退火態(tài)直徑為13.6 mm、長度為150 mm的Ti-6Al-4V合金棒材，表面呈磨光態(tài)，其屈服強度844 MPa、抗拉強度919 MPa、斷后伸長率 11.70%、斷面收縮率27.51%，其化學(xué)成分列于表1。

表1 Ti-6Al-4V合金棒材的化學(xué)成分Table 1 Chemical component of the as-received Ti-6Al-4V alloy rod

1.2 實驗方法

Ti-6Al-4V合金的電脈沖輔助車削加工實驗在基于普通車床自行設(shè)計搭建的實驗平臺上進行，實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。車床與地面絕緣，車床刀架和尾座與車床床體絕緣，電流通過安裝于車床主軸端的旋轉(zhuǎn)電極A和安裝于尾座端的旋轉(zhuǎn)電極B導(dǎo)入工件中，具體電路為電源正極→旋轉(zhuǎn)電極A→車床主軸→卡盤→工件→尾座→旋轉(zhuǎn)電極B→電源負(fù)極。工件的有效夾持長度為80 mm，切削參數(shù)為切削速度43 m·min-1、進給量0.2 mm·r-1、背吃刀量0.6 mm，切削刀具為使用帶斷屑槽的C型YG6X材質(zhì)刀粒的可轉(zhuǎn)位車刀，其前角6°、后角6°、主偏角95°、刃傾角6°，刀尖圓弧半徑0.2 mm。電脈沖由自行設(shè)計的脈沖電源提供，其波形為尖波、脈寬為60μs，電脈沖參數(shù)列于表2。

圖1 電脈沖輔助車削加工實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram for the core apparatus of electropulsing-assisted turning experimental platform

表2 Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助車削加工實驗所用電脈沖參數(shù)Table 2 The electropulsing parameters used in electropulsing-assisted turning for Ti-6Al-4V alloy

1.3 分析方法及儀器

用K型表面熱電偶，測定工件靜止?fàn)顟B(tài)下的表面溫度。采用參考文獻［29］所介紹的方法，測定主切削力。用Surtronic S25接觸式表面粗糙度測試儀，測定軸向粗糙度。用HVS-1000B顯微維氏硬度計，測試切削槽內(nèi)的顯微硬度，其中測試載荷100 g、保荷時間30 s。用FLIR SC655紅外熱像儀，監(jiān)測切削過程中切屑表面的溫度。用KH-7700三維數(shù)字顯微鏡，觀察加工表面及切屑表面微觀形貌。用Hitachi S4800掃描電子顯微鏡，觀察工件橫截面顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削前工件表面的平衡溫度

電脈沖具有焦耳熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，焦耳熱效應(yīng)導(dǎo)致工件表面溫度升高。當(dāng)電脈沖焦耳熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量的速度與工件的散熱速度相同時，工件表面溫度達到平衡值。為避免工件表面溫度不穩(wěn)定對研究評價造成影響，車削加工開始前先對工件施加電脈沖，待工件表面溫度達到穩(wěn)定平衡后再進行車削加工。平均電流密度為電脈沖焦耳熱效應(yīng)的特征參量，工件表面平衡溫度主要決定于平均電流密度。圖2為工件表面的平衡溫度圖。

圖2 T i-6Al-4V合金電脈沖輔助車削加工開始前工件表面的平衡溫度Figure 2 The surface equilibrium temperature of Ti-6Al-4V specimens caused by electropulsing before the start of turning process

從圖2可見：平均電流密度相同時，工件表面平衡溫度基本相同；平均電流密度越大，工件表面平衡溫度越高。電脈沖引起工件表面溫度適度上升，可使表面切削區(qū)強度等性能適度下降，對后續(xù)切削加工產(chǎn)生積極影響。但實驗過程中發(fā)現(xiàn)，平衡溫度超過400℃時會造成工件表面氧化變色，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。因此，應(yīng)控制工件表面平衡溫度小于400℃，即平均電流密度小于1.65 A·mm-2。

2.2 主切削力

圖3為Ti-6Al-4V合金在電脈沖輔助車削加工中主切削力的變化。從圖3可見：普通車削時主切削力高達185.11 N，而施加電脈沖后主切削力總體呈現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)電脈沖頻率為300 Hz時主切削力的下降趨勢最為顯著，平均電流密度為1.11 A·mm-2時主切削力達到了最小值134.62 N，相比于普通切削下降達27.3%。

圖3 Ti-6Al-4V合金在電脈沖輔助切削加工中主切削力的變化Figure 3 The main cutting force of T i-6Al-4V specimens during electropulsingassisted turning

由于電脈沖的焦耳熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)隨電脈沖的增大逐漸增強，且材料的電致塑性效應(yīng)在特定頻率下其增強效果更為顯著，在二者的共同作用下使得金屬材料表面的塑性變形能力大幅提升，變形抗力顯著下降，主切削力也隨之降低，因此主切削力總體呈現(xiàn)下降趨勢；但當(dāng)電脈沖過大，焦耳熱效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位時，切削區(qū)的溫度顯著上升，Ti-6Ai-4V合金會與空氣中的氮氧發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成硬度很高的鈦的氮氧化物，這會導(dǎo)致材料表面硬度升高而加速刀具的磨損，此時主切削力不再降低，甚至有逐漸上升的趨勢。由此可知，優(yōu)化參數(shù)的電脈沖會使得主切削力下降，促進切削過程進行，但過高的電脈沖反而會對切削過程產(chǎn)生不利影響。

2.3 切削槽內(nèi)部的顯微硬度

圖4為工件已加工表面切削槽內(nèi)的顯微硬度。從圖4可見：普通切削在工件表面造成了嚴(yán)重的加工硬化，切削槽內(nèi)部顯微硬度達到403 HV0.1；施加電脈沖后切削槽內(nèi)的顯微硬度明顯下降，當(dāng)平均電流密度小于1.38 A·mm-2時顯微硬度下降很快，當(dāng)平均電流密度進一步增大時顯微硬度卻有所回升；當(dāng)平均電流密度為1.11 A·mm-2、頻率300 Hz時，切削槽內(nèi)的顯微硬度為336 HV0.1，相比于普通切削下降16.6%。

圖4 Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助切削加工切削槽內(nèi)的顯微硬度Figure 4 The micro-hardness in cutting groove on surface of Ti-6Al-4V specimens

電脈沖輔助切削加工中工件表層硬度的變化，是因為電脈沖直接影響了切削變形層塑性變形的加工硬化強弱程度。切削加工本身會在材料表面造成塑性變形，導(dǎo)致變形層發(fā)生加工硬化，進而引起硬度上升。但電脈沖的加入，提高了切削層的塑性變形能力，使變形層加工硬化減弱，直觀上表現(xiàn)為施加電脈沖后工件表面硬度小于普通切削加工。當(dāng)電脈沖過大熱效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位時，工件表面溫度顯著上升，Ti-6Al-4V合金會與空氣中的氮氧發(fā)生劇烈反應(yīng)而生成硬度很高的鈦的氮氧化物，這直接導(dǎo)致工件表面硬度顯著升高并加速刀具磨損，對切削過程產(chǎn)生不利影響。

圖5為Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助切削加工前后工件表層顯微硬度梯度分布。從圖5可以看出：車削加工前，Ti-6Al-4V合金表層顯微硬度幾乎與其內(nèi)部保持一致（約304 HV0.1），表層無加工硬化；雖然普通車削和電脈沖輔助車削加工的硬化層深度均約150μm，但二者的顯著差異在于加工硬化程度和顯微硬度分布梯度的不同，普通車削加工會在合金表層引起嚴(yán)重的加工硬化且表層內(nèi)的硬度梯度很大，而電脈沖輔助車削加工（平均電流密度為1.11 A·mm-2、頻率300 Hz）后合金表面硬度相比于普通切削顯著下降。

圖5 Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助切削加工前后工件表層顯微硬度梯度分布Figure 5 Cross-sectional micro-hardness gradient distribution within the surface layer of Ti-6Al-4V specimens

2.4 加工表面的軸向粗糙度

車削加工后工件表面的軸向粗糙度如圖6所示。從圖6可見：施加電脈沖后，加工表面的粗糙度顯著下降，并且下降趨勢隨電流密度的增大而增大；當(dāng)平均電流密度大于1.11 A·mm-2時，表面軸向粗糙度有所回升增大；當(dāng)頻率為300 Hz、平均電流密度為1.11 A·mm-2時，工件的軸向表面粗糙度Ra為1.13μm，相比于普通車削（Ra為1.39μm）下降了18.7%。

圖6 Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助切削加工對工件已加工表面軸向粗糙度的影響Figure 6 The axial surface roughness on Ti-6Al-4V specimens

電脈沖可顯著降低切削變形引起的加工硬化，增強或維持切削區(qū)具有較好的剪切變形能力。此外，切削過程中刀具尖端很容易形成積屑瘤，積屑瘤會改變刀具尖端的幾何角度，從而影響切削加工質(zhì)量，并且積屑瘤長大到一定程度后很容易發(fā)生破裂脫落，造成切削過程的不穩(wěn)定，嚴(yán)重的會直接影響表面加工質(zhì)量。而電脈沖可以提升工件表層塑性變形能力、減弱切削過程中工件的顫振，有效阻止積屑瘤的長大并有利于維持積屑瘤的穩(wěn)定狀態(tài)，從而獲得較好的加工質(zhì)量，降低表面加工的粗糙度［30］。但電脈沖參數(shù)過大時，Ti-6Al-4V合金與空氣中的氮氧發(fā)生劇烈反應(yīng)生成硬度很高的鈦的氮氧化物，工件表面硬度會顯著升高而加速刀具磨損，磨損的刀具表面更容易形成積屑瘤且積屑瘤更不穩(wěn)定，很容易造成切削過程的不穩(wěn)定，使得加工表面質(zhì)量變差，粗糙度升高。

2.5 切屑表面最高溫度

Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助切削加工中切屑表面的最高溫度如圖7所示。從圖7可見：施加電脈沖后，切屑表面的最高溫度隨電流密度的增大逐漸呈上升趨勢；平均電流密度達到1.65 A·mm-2時，切屑表面的最高溫度超過了1000℃。有關(guān)研究表明［15］：在適當(dāng)熱效應(yīng)輔助作用下，電致塑性效應(yīng)對金屬材料位錯運動速度的促進作用將呈爆發(fā)式增長，極大提高金屬材料的塑性變形能力，比單純熱效應(yīng)產(chǎn)生的溫度上升而帶來的位錯運動速度提升效果要明顯很多；電脈沖兼具焦耳熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)，可在較低溫度下產(chǎn)生非常明顯的塑性變形能力增強作用，使得切削過程中材料表層的抗變形能力顯著降低，材料表面和切屑的加工硬化程度明顯減弱且刀具磨損減小，從而對切削過程產(chǎn)生積極影響；但當(dāng)電脈沖過大引起切削區(qū)溫度嚴(yán)重升高時，會導(dǎo)致工件表面氧化，使表面硬度升高并加速刀具磨損，形成的積屑瘤不穩(wěn)定性增高，嚴(yán)重影響表面加工質(zhì)量。因此，選擇合適的電脈沖參數(shù)，維持切削區(qū)溫度在合理的工作范圍內(nèi)才能獲得最佳的切削加工效果。

圖7 Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助車削加工中切屑表面的最高溫度Figure 7 The maximum temperature on chip surface in cutting area of Ti-6Al-4V specimens

2.6 加工表面的微觀結(jié)構(gòu)

圖8為Ti-6Al-4V合金車削加工表面和相應(yīng)切屑的微觀形貌。從圖8可見：工件的車削表面形貌并無太大差異，但兩相鄰切削槽之間的切削棱邊緣的形貌發(fā)生了明顯變化；普通切削，一般會形成鋸齒狀切屑，并在加工表面切削棱邊緣留下類似鋸齒狀剝離撕裂的痕跡，降低表面加工質(zhì)量；施加電脈沖后（平均電流密度1.11 A·mm-2、頻率為300 Hz），切屑邊緣變得光滑連續(xù)，原來的鋸齒狀特征消失，切削棱邊緣也變的更加光滑。

圖8 電脈沖輔助切削加工對Ti-6Al-4V合金加工表面及切屑微觀形貌的影響Figure 8 The micro-morphology of machined surface on specimens and on the corresponding chips

2.7 切削變形層及工件內(nèi)部的顯微組織

Ti-6Al-4V合金切削變形層及內(nèi)部的顯微組織如圖9所示，工件表面部分的界線用粗黃色虛線標(biāo)記，具體位置如紅色箭頭所示。從圖9可見：普通車削時，工件表面層并無明顯的流變層出現(xiàn)；在平均電流密度1.11 A·mm-2、頻率為300 Hz的電脈沖輔助切削中，工件表面層晶粒被拉長變形并出現(xiàn)了明顯的流變層，厚度大約為8μm（細(xì)虛線與工件表面粗虛線之間區(qū)域）；此外，對比可以發(fā)現(xiàn)兩種加工方法對工件內(nèi)部組織沒有明顯的影響。說明，電脈沖可顯著提高切削加工區(qū)的塑性變形能力，改善Ti-6Al-4V合金的切削加工性能，但不會對材料的心部組織產(chǎn)生顯著影響，這可能與Ti-6Al-4V合金本身的穩(wěn)定的退火態(tài)組織狀態(tài)有關(guān)。

圖9 Ti-6Al-4V合金切削變形層及工件內(nèi)部的顯微組織形貌Figure 9 Microstructures of the cutting layer and center in specimens

2.8 電脈沖輔助車削加工機理分析

電脈沖的焦耳熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)對切削變形區(qū)的塑性變形能力產(chǎn)生顯著影響。電脈沖的焦耳熱效應(yīng)可引起工件表面溫度升高，促使變形區(qū)原子運動擴散和位錯運動加速，減弱切削變形引起的加工硬化，增強和維持切削區(qū)具有較好的剪切變形能力，使得切削過程阻力變小。較高的表面溫度可以降低表面切削加工硬化，對后續(xù)加工產(chǎn)生積極影響。電脈沖的電致塑性效應(yīng)對切削區(qū)塑性變形能力的提高，體現(xiàn)在電脈沖與材料內(nèi)部電子的相互作用上。有研究認(rèn)為［31-32］：金屬內(nèi)部位錯等缺陷很容易造成其附近電子密度分布的不均，而電子密度分布不均的明顯畸變使金屬材料可以更容易地發(fā)生塑性變形；在金屬材料的切削過程中施加適當(dāng)頻率和強度的電脈沖，可以造成其內(nèi)部電子密度分布的瞬時畸變，從而大幅提高其塑性變形能力；在位錯等缺陷高度集中的表層切削加工區(qū)，電脈沖引起的電子密度分布畸變更為嚴(yán)重劇烈，且不同頻率下電脈沖對電子密度分布造成的畸變存在很大差異，產(chǎn)生類似物質(zhì)波的共振現(xiàn)象［31］，使得特定頻率電脈沖作用下金屬材料的電致塑性效應(yīng)最大化（本研究的Ti-6Al-4V合金為300 Hz）；電脈沖對表層切削區(qū)金屬材料的塑性變形能力改善最為明顯，直觀表現(xiàn)為主切削力降低，同時切屑的形成過程更加順暢，表面加工質(zhì)量進一步得到提高；電致塑性效應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)的耦合作用，能在最大程度上影響切削過程。在適當(dāng)焦耳熱效應(yīng)的輔助作用下，電致塑性效應(yīng)對金屬材料位錯運動速度的促進作用將爆發(fā)式增長，極大程度提高金屬材料的塑性變形能力，這是單純焦耳熱效應(yīng)產(chǎn)生的溫度上升而帶來的位錯運動速度提升效果所無法比擬的［15］。電脈沖兼具焦耳熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)，可在較低溫度下產(chǎn)生非常明顯的塑性變形能力增強作用，使得切削過程中材料表層的變形抗力顯著下降，加工硬化顯著降低，一定程度上可以減弱切削刀具的磨損。此外，電脈沖提升表層塑性變形能力、減弱切削過程中工件的顫振，可以有效阻止積屑瘤的長大并有利于維持積屑瘤的穩(wěn)定狀態(tài)，從而獲得較好的表面加工質(zhì)量，直觀上降低了表面加工的粗糙度。因此，在適當(dāng)?shù)碾娒}沖作用下難加工金屬材料的切削效率和加工質(zhì)量可以得到顯著提升，但當(dāng)電脈沖過大引起切削區(qū)溫度嚴(yán)重升高時會導(dǎo)致工件表面氧化并加速刀具磨損，形成的積屑瘤不穩(wěn)定性增高，出現(xiàn)嚴(yán)重影響表面加工質(zhì)量等不好的結(jié)果。因此，優(yōu)選電脈沖參數(shù)，是電脈沖輔助車削加工獲得良好加工效果的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

電脈沖輔助車削加工可以顯著提高Ti-6Al-4V合金切削區(qū)的塑性變形能力，減小表面加工硬化，減弱車削時切屑邊緣鋸齒的形成，從而可以大幅降低切削力，提高工件表面加工質(zhì)量。當(dāng)頻率為300 Hz、平均電脈沖密度為1.11 A·mm-2和最大電流密度10.19 A·mm-2時，與普通切削相比，電脈沖輔助車削加工主切削力下降27.3%、切削表面加工硬化下降16.6%、軸向表面粗糙度下降18.7%。參數(shù)優(yōu)化的電脈沖輔助車削加工可以顯著提高Ti-6Al-4V合金的切削加工性能，獲得更高的表面加工質(zhì)量，同時對工件內(nèi)部的原始組織無影響。但是，過大的電脈沖會使工件表面氧化，加速刀具磨損，導(dǎo)致Ti-6Al-4V合金的加工質(zhì)量下降。優(yōu)選電脈沖參數(shù)，是電脈沖輔助車削加工獲得良好加工效果的關(guān)鍵。