Ti-6Al-4V合金電脈沖輔助車(chē)削加工實(shí)驗(yàn)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(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 佛山 528225）

鈦合金因具有高的比強(qiáng)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(jī)、火箭、導(dǎo)彈及航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)在汽車(chē)、造船、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域開(kāi)拓了新的應(yīng)用市場(chǎng)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(diǎn)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(jī)械加工領(lǐng)域研究的重要課題。

電脈沖作為一種輔助外場(chǎng)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(guò)程中對(duì)其施加電脈沖等物理外場(chǎng)，材料受到電場(chǎng)或電磁場(chǎng)作用，內(nèi)部位錯(cuò)纏結(jié)打開(kāi)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快、變形抗力降低、塑性顯著提高的現(xiàn)象，其可實(shí)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(duì)材料的強(qiáng)度、塑性、內(nèi)部組織及疲勞壽命產(chǎn)生重大影響［11-21］。國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)電致塑性的作用機(jī)理進(jìn)行過(guò)深入探索，并在金屬材料的拉拔、軋制、熱處理等很多方面開(kāi)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(guò)程中的應(yīng)用研究卻鮮有報(bào)道。本研究將電脈沖引入到Ti-6Al-4V合金的車(chē)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(duì)電脈沖輔助車(chē)削加工的作用機(jī)理做出了探索解釋。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為退火態(tài)直徑為13.6 mm、長(zhǎng)度為150 mm的Ti-6Al-4V合金棒材，表面呈磨光態(tài)，其屈服強(qiáng)度844 MPa、抗拉強(qiáng)度919 MPa、斷后伸長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)方法

Ti-6Al-4V合金的電脈沖輔助車(chē)削加工實(shí)驗(yàn)在基于普通車(chē)床自行設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。車(chē)床與地面絕緣，車(chē)床刀架和尾座與車(chē)床床體絕緣，電流通過(guò)安裝于車(chē)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(chē)床主軸→卡盤(pán)→工件→尾座→旋轉(zhuǎn)電極B→電源負(fù)極。工件的有效夾持長(zhǎng)度為80 mm，切削參數(shù)為切削速度43 m·min-1、進(jìn)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(chē)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(jì)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(chē)削加工實(shí)驗(yàn)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(chē)削加工實(shí)驗(yàn)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(cè)定工件靜止?fàn)顟B(tài)下的表面溫度。采用參考文獻(xiàn)［29］所介紹的方法，測(cè)定主切削力。用Surtronic S25接觸式表面粗糙度測(cè)試儀，測(cè)定軸向粗糙度。用HVS-1000B顯微維氏硬度計(jì)，測(cè)試切削槽內(nèi)的顯微硬度，其中測(cè)試載荷100 g、保荷時(shí)間30 s。用FLIR SC655紅外熱像儀，監(jiān)測(cè)切削過(guò)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(shí)，工件表面溫度達(dá)到平衡值。為避免工件表面溫度不穩(wěn)定對(duì)研究評(píng)價(jià)造成影響，車(chē)削加工開(kāi)始前先對(duì)工件施加電脈沖，待工件表面溫度達(dá)到穩(wěn)定平衡后再進(jìn)行車(chē)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(chē)削加工開(kāi)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(jiàn)：平均電流密度相同時(shí)，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(qiáng)度等性能適度下降，對(duì)后續(xù)切削加工產(chǎn)生積極影響。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，平衡溫度超過(guò)400℃時(shí)會(huì)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T(mén)i-6Al-4V合金在電脈沖輔助車(chē)削加工中主切削力的變化。從圖3可見(jiàn)：普通車(chē)削時(shí)主切削力高達(dá)185.11 N，而施加電脈沖后主切削力總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)電脈沖頻率為300 Hz時(shí)主切削力的下降趨勢(shì)最為顯著，平均電流密度為1.11 A·mm-2時(shí)主切削力達(dá)到了最小值134.62 N，相比于普通切削下降達(dá)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(qiáng)，且材料的電致塑性效應(yīng)在特定頻率下其增強(qiáng)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(shì)；但當(dāng)電脈沖過(guò)大，焦耳熱效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，切削區(qū)的溫度顯著上升，Ti-6Ai-4V合金會(huì)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(huì)導(dǎo)致材料表面硬度升高而加速刀具的磨損，此時(shí)主切削力不再降低，甚至有逐漸上升的趨勢(shì)。由此可知，優(yōu)化參數(shù)的電脈沖會(huì)使得主切削力下降，促進(jìn)切削過(guò)程進(jìn)行，但過(guò)高的電脈沖反而會(huì)對(duì)切削過(guò)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(jiàn)：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(dá)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(shí)顯微硬度下降很快，當(dāng)平均電流密度進(jìn)一步增大時(shí)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(shí)，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?yàn)殡娒}沖直接影響了切削變形層塑性變形的加工硬化強(qiáng)弱程度。切削加工本身會(huì)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(jìn)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(guò)大熱效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，工件表面溫度顯著上升，Ti-6Al-4V合金會(huì)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(duì)切削過(guò)程產(chǎn)生不利影響。

圖5為T(mén)i-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(chē)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(wú)加工硬化；雖然普通車(chē)削和電脈沖輔助車(chē)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(chē)削加工會(huì)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(chē)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(chē)削加工后工件表面的軸向粗糙度如圖6所示。從圖6可見(jiàn)：施加電脈沖后，加工表面的粗糙度顯著下降，并且下降趨勢(shì)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(shí)，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(shí)，工件的軸向表面粗糙度Ra為1.13μm，相比于普通車(chē)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(duì)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(qiáng)或維持切削區(qū)具有較好的剪切變形能力。此外，切削過(guò)程中刀具尖端很容易形成積屑瘤，積屑瘤會(huì)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(zhǎng)大到一定程度后很容易發(fā)生破裂脫落，造成切削過(guò)程的不穩(wěn)定，嚴(yán)重的會(huì)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(guò)程中工件的顫振，有效阻止積屑瘤的長(zhǎng)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(guò)大時(shí)，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(huì)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(guò)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(jiàn)：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(shì)；平均電流密度達(dá)到1.65 A·mm-2時(shí)，切屑表面的最高溫度超過(guò)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(duì)金屬材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度的促進(jìn)作用將呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，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(lái)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)作用，使得切削過(guò)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(duì)切削過(guò)程產(chǎn)生積極影響；但當(dāng)電脈沖過(guò)大引起切削區(qū)溫度嚴(yán)重升高時(shí)，會(huì)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(chē)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T(mén)i-6Al-4V合金車(chē)削加工表面和相應(yīng)切屑的微觀形貌。從圖8可見(jiàn)：工件的車(chē)削表面形貌并無(wú)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(huì)形成鋸齒狀切屑，并在加工表面切削棱邊緣留下類(lèi)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(lái)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(duì)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(jiàn)：普通車(chē)削時(shí)，工件表面層并無(wú)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(zhǎng)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(duì)比可以發(fā)現(xiàn)兩種加工方法對(duì)工件內(nèi)部組織沒(méi)有明顯的影響。說(shuō)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(huì)對(duì)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(chē)削加工機(jī)理分析

電脈沖的焦耳熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)對(duì)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(yùn)動(dòng)擴(kuò)散和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加速，減弱切削變形引起的加工硬化，增強(qiáng)和維持切削區(qū)具有較好的剪切變形能力，使得切削過(guò)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(duì)后續(xù)加工產(chǎn)生積極影響。電脈沖的電致塑性效應(yīng)對(duì)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(cuò)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(guò)程中施加適當(dāng)頻率和強(qiáng)度的電脈沖，可以造成其內(nèi)部電子密度分布的瞬時(shí)畸變，從而大幅提高其塑性變形能力；在位錯(cuò)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(duì)電子密度分布造成的畸變存在很大差異，產(chǎn)生類(lèi)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(duì)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(shí)切屑的形成過(guò)程更加順暢，表面加工質(zhì)量進(jìn)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(guò)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(duì)金屬材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度的促進(jìn)作用將爆發(fā)式增長(zhǎng)，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(lái)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度提升效果所無(wú)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(qiáng)作用，使得切削過(guò)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(guò)程中工件的顫振，可以有效阻止積屑瘤的長(zhǎng)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(guò)大引起切削區(qū)溫度嚴(yán)重升高時(shí)會(huì)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(chē)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(chē)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(chē)削時(shí)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(shí)，與普通切削相比，電脈沖輔助車(chē)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(chē)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(shí)對(duì)工件內(nèi)部的原始組織無(wú)影響。但是，過(guò)大的電脈沖會(huì)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(chē)削加工獲得良好加工效果的關(guān)鍵。