Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al钛合金激光辅助铣削切屑形貌研究

高延峰，肖建华

(南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌 330063)



Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al钛合金激光辅助铣削切屑形貌研究

高延峰，肖建华

(南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌 330063)

钛合金被广泛用于飞机机身、起落架和紧固件的制造中。然而，钛合金属于典型的难切削材料，其中锯齿型切屑的产生是造成其切削困难的主要原因之一。激光辅助切削是一种新兴的切削方法，常用于难加工材料的切削中，研究该切削方式下钛合金切屑形貌对于探明钛合金激光辅助切削机理，进一步实现其工程化应用具有重要的意义。文章通过实验研究了两种常用的钛合金Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al在激光辅助切削加工条件下切屑的形貌特征。结果表明，这两种钛合金在传统加工时形成锯齿型切屑，在相同的工艺参数下激光辅助切削时形成连续型切屑，并随着切削速度的增加，连续型切屑逐渐转变为锯齿型切屑。激光辅助切削条件下，β型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的绝热剪切带消失，α+β型钛合金Ti-6Al-4V切屑的绝热剪切带仍然存在，这意味着Ti-10V-2Fe-3Al合金对温度的变化更为敏感。

切屑形貌；钛合金；激光辅助切削

0 引言

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好以及与碳纤维复合材料兼容性好等特性，成为国内外现役以及新一代飞机中广泛采用的结构材料。然而，独特的物理和化学特性使得钛合金成为公认的难切削材料[1-3]。为提高钛合金的切削效率，近年来人们开始采用激光辅助加热的方法对钛合金进行切削。激光辅助切削通过引入高密度的激光热源对被加工材料的切削部位进行加热，使该部位的材料受热软化，从而可以减小切削力、提高表面质量[4]。然而，在高温下钛合金的流变应力和应变强化率会大幅下降，造成激光辅助切削与传统切削的加工机理明显不同。

造成钛合金切削困难的主要原因之一是加工过程中锯齿型切屑的形成。Wang[5]研究了切削钛合金时锯齿型切屑中绝热剪切带的形成过程，结果发现绝热剪切带的组织强化过程可以分为三个阶段：变形强化、晶粒细化和马氏体相变的强化。Ye[6]建立了高速切削钛合金Ti-6Al-4V切屑周期性绝热剪切带的演化模型，该模型能够有效的对不同切削速度下切屑的形成过程进行模拟。Sun[7]研究了锯齿型切屑的演化，结果表明随着切削速度的增加，切屑的锯齿化程度增加。

虽然很多学者对钛合金切屑的形成机理及形貌特征进行了大量的研究，但是关于激光辅助加热切削方式下钛合金切屑形态的研究却很少。本文主要研究了工业上常用的两种钛合金材料在激光辅助加热切削方式下的切屑形貌，这两种钛合金材料是Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al。其中， Ti-6Al-4V属于α+β型钛合金，是工业上应用最多的一种钛合金材料，常用来制造飞机的机身、框梁等零件。Ti-10V-2Fe-3Al属于β型钛合金，具有高强度和高韧性，常用来制造飞机的起落架和紧固件。本文通过实验观察这两种常用的钛合金切屑形貌，研究激光辅助加热切削方式对钛合金切屑形成的影响。

1 实验方法

使用机床HASS VF-3YT和 SECO 公司生产的LPHT060310TR硬质合金刀具对两种钛合金Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al在不同的激光功率和不同的切削参数下进行顺铣加工。实验中，进给量保持为1mm/r，切削速度分别为100m/min和150m/min，激光功率分别为1380W和2200W，切削深度为0.5mm。

收集不同切削参数下的切屑并做好标记，利用环氧树脂AB胶将切屑制成样本，再使用氢氟酸硝酸水溶液进行腐蚀处理，其腐蚀剂为：5%HF+15%HNO3+80%H2O(体积分数)。最后，使用金相显微镜XJP-6A对切屑进行观察。

2 结果和讨论

2.1 α+β型钛合金Ti-6Al-4V的切屑

传统切削和激光辅助切削钛合金Ti-6Al-4V切屑的微观形貌如图1所示。从图1a中可以观察到在传统切削方式下切屑呈现典型的锯齿形，并且在齿根处出现裂缝。从图1c中可见，当切削速度为150m/min时齿距比切削速度为100m/min时更均匀和有规律。从图1b和图1d可见，在激光辅助切削方式下呈现出从锯齿型切屑逐渐过渡为连续型切屑的特征，并且随着激光功率的增加，锯齿的宽度变小，裂缝逐渐消失。这是因为激光束使被加工材料表面的温度升高，切削部位的材料热软化，材料的硬度降低。

(a)传统切削，V=100m/min (b)激光辅助切削，P=1380W，

(c)传统切削，V=150m/min (d)激光辅助切削，P=2200W，

图1表明，在激光辅助加热条件下，Ti-6Al-4V合金的切屑呈现出一种过渡状态，即从无规律的锯齿型切屑转变为连续型切屑。当切削速度为100m/min，激光功率为1380W时，锯齿型切屑齿高和齿间的宽度没有规律且比较小。当切削速度为150m/min，激光功率为2200W时，锯齿型切屑转变为连续型。这是因为随着切削速度的增加，切削过程中产生大量的切削热，并在更高的激光功率下，使被加工材料的温度更高，切削部位的材料热软化，不再发生绝热剪切现象，从而形成连续型切屑。

2.2 β型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al的切屑

β型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的微观形貌如图2所示。从图中可以清楚的观察到在传统切削方式下锯齿形切屑的形成，当切削速度为100m/min时可以清晰地看到切屑中的绝热剪切带，如图2a所示。当切削速度增加到150m/min时，绝热剪切带变窄并且剪切带的频率升高，如图2c所示。

(a)传统切削，V=100m/min (b)激光辅助切削，P=1380W，

(c)传统切削，V=150m/min (d)激光辅助切削，P=2200W，

在激光辅助加热切削的条件下，β型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的形貌如图2b和图2d所示。当切削速度为100m/min时，切屑呈现出小的锯齿形特征并且绝热剪切带消失。与传统切削(图2a和图2c)相比较，还可以观察到切屑的齿高较小和齿宽较大。当切削速度为150m/min时，切屑形成了有规律的锯齿状， 这也许是因为锯齿型切屑的形成与材料的应变率和热软化有关，随着切削速度的增加，应变率的增加比材料的热软化快，从而导致了高速切削时有规律的锯齿型切屑产生。但是，并未形成绝热剪切带，在激光辅助加热切削时绝热剪切带的消失表明了被加工材料的软化和加工性能的改善。

2.3 激光辅助切削对绝热剪切带的影响

在加工钛合金时一个典型的特征就是绝热剪切带的产生。切屑绝热剪切带微观形貌经放大后如图3所示。图3a和图3b分别为传统切削和激光辅助切削条件下α+β型钛合金Ti-6Al-4V切屑的微观结构，从图中可以看到在不同加工条件下均有绝热剪切带形成，并且在激光辅助加热切削下剪切带的宽度更大。图3c和图3d分别为传统切削和激光辅助加热切削条件下β型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的微观结构，从图中可以看到在传统切削条件下形成了绝热剪切带，而在激光辅助切削条件下绝热剪切带则消失不见。这种现象表明β型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al对温度变化的影响比α+β型钛合金Ti-6Al-4V更为敏感。

(a)Ti-6Al-4V，传统切削 (b)Ti-6Al-4V，激光辅助切削

(c)Ti-10V-2Fe-3Al, 传统切削 (d)Ti-10V-2Fe-3Al,激光辅助切削

在传统切削钛合金Ti-6Al-4V时，锯齿形切屑的形成主要由材料的绝热剪切引起。绝热剪切带通常称为热塑性失稳，被用来解释热软化率超过应变强化率这一物理现象，这表明了温度升高是连续型切屑形成的主要因素。当激光辅助切削时，激光使被加工材料软化，因此降低了材料的屈服强度。当被加工材料的屈服强度降低到某一程度后，连续型切屑形成。当切削速度增加时，激光束与材料接触的时间减短，被加工材料的温度降低。因此，在第一剪切区域内材料不能产生大应变，由于钛合金材料的导热性差，产生绝热剪切现象，从而使连续型切屑转变成锯齿型切屑。

3 结论

(1) 在传统切削条件下，β型Ti-10V-2Fe-3Al钛合金切屑存在非常明显的绝热剪切带。随着切削速度的增加，剪切带的频率升高，并且高于相同切削参数下α+β型钛合金Ti-6Al-4V的切屑，这也表明了β型钛合金材料的加工性能差。

(2) 在激光辅助切削条件下，钛合金切屑呈现出从锯齿型向连续型过渡的特征。并且， 钛合金Ti-10V-2Fe-3Al切屑的绝热剪切带消失， 钛合金Ti-6Al-4V切屑的绝热剪切带仍然存在，这表明Ti-10V-2Fe-3Al合金对温度的变化更为敏感。

[1] M Rahman, Y S Wong, A R Zareena. Machinability of titanium alloys [J]. JSME International Journal Series C, 2003, 46(1): 107-115.

[2] 刘丽娟，吕明，武文革，等. 高速铣削钛合金Ti-6Al-4V切屑形态试验研究[J]. 机械工程学报，2015, 53(3):196-205.

[3] 陈五一，袁跃峰. 钛合金切削加工技术研究进展[J]. 航空制造技术, 2010(15): 26-30.

[4] 吴雪峰,王扬. 激光加热辅助切削技术及研究进展[J]. 哈尔滨理工大学学报，2012, 17(4): 34-45.

[5] Shengping Wang.Investigation on Microstructure of Adiabatic Shear Band of Saw-tooth Chip in Machining TC4 Alloy[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(9):1117-1121.

[6] G G Ye.Modeling periodic adiabatic shear band evolution during high speed machining Ti-6Al-4V alloy[J].International Journal of Plasticity, 2013, 40:39-55.

[7] S SUN, M BRANDT,M S DARGUSCH.The Effect of a Laser Beam on Chip Formation during Machining of Ti6Al4V Alloy[J]. Metals and Materials Society and ASM International, 2010, 41:1573-1581.

(编辑 李秀敏)

Chip Morphologies during Laser Assisted Machining of Ti-10V-2Fe-3Al and Ti-6Al-4V Alloys

GAO Yan-feng, XIAO Jian-hua

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

Titanium alloys are widely used in the manufacturing of fuselage, landing gear and fastener of aircraft. However, titanium alloy is a kind of the typical hard-to-cutting materials. One typical feature in the machining of titanium alloys is the forming of saw-tooth chip, which is a major reason to cause the hard-to-cutting of titanium alloys. Laser assisted machining (LAM) is an emerging manufacturing process developed in recent years and applied widely in the machining of hard materials. It is very important to study the chips morphology in order to understand the mechanism of the titanium alloys machining under LAM condition and its further applying in the manufacturing. The chips morphology of two types titanium alloys, Ti-10V-2Fe-3Al and Ti-6Al-4V, are analyzed in this paper. Experiments results show that the saw-tooth chips formed during conventional machining. However, during LAM machining the continuous chips are formed under the same cutting parameters. During LAM machining, with the increasing cutting speed, the continuous chips gradually transform to the saw-tooth chips due to the laser beam interaction time become shorter. The impacts of laser beam on the shear bands also investigated. The experiments show that under LAM machining, the shear bands of Ti-10V-2Fe-3Al are disappeared, but the shear bands of Ti-6Al-4V alloy are still exist under the same machining parameters. It is means that the Ti-10V-2Fe-3Al alloy more sensitive to the change of temperature.

chip morphology; titanium alloy; laser assisted machining

1001-2265(2016)10-0029-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.008

2015-01-24

高延峰(1974—)，男，河北邯郸人，南昌航空大学副教授，博士，研究方向数控加工技术、机器人技术，(E-mail)gyf_2672@163.com。

TH142;TG115.28

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