鈦合金Ti6Al4V具有耐腐蝕性良好、密度小、比強度高、熱強度好等優良的綜合性能，是重要的工程材料之一，廣泛應用于航空航天、石油化工、醫療設備等領域。由于其導熱系數小、摩擦系數大、彈性模量低和化學活性高等特點，使鈦合金的切削性能較差，加工效率較低。在鈦合金切削過程中，鋸齒狀切屑是典型切屑形態，鋸齒形切屑形成過程中造成切削溫度高、切削力高頻波動，加劇刀具磨損和機床振動，進而降低加工表面質量。鋸齒形切屑分成兩個明顯不同的變形區：變形很小且呈梯形的基塊；變形高度局部化的絕熱剪切帶(Adiabatic Shear Bands，ASB)。由于ASB的演化機理非常復雜，在不同切削條件下，ASB內的微觀組織形態也有較大差異。ASB根據其內部材料的微觀組織形態可分為形變帶和轉變帶，眾多學者對ASB內組織形態、顯微硬度以及轉變帶內材料是否發生相變進行了研究。

本文通過正交試驗研究了切削用量和刀具前角對切削力和鋸齒化程度的影響規律。通過觀察不同切削條件下ASB內的金相組織特征，分析和探討ASB演變過程和鋸齒形切屑裂紋形態及形成機理。

1切削試驗

(1)試驗條件

在CA6140車床上進行試驗，采用直角自由干式切削加工。工件材料為經過退火處理的鈦合金Ti6Al4V，工件尺寸Φ80mm×300mm。刀具牌號為YG8硬質合金刀具，刀具角度：前角-15°～10°、后角12°、刃傾角0°。為了滿足直角自由切削的切削條件，利用切槽刀在試件外圓表面切出寬度為3mm的環槽。用Kistler 9257B測力儀采集切削力，采樣頻率51.2kHz。收集不同切削條件下的切屑制成金相標本，觀察鋸齒形切屑的鋸齒化幾何表征和金相組織。

圖1 切削原理

(2)試驗方案

利用正交表設計四因素四水平正交試驗，考察進給量f、背吃刀量ap、切削速度v和刀具前角γo對指標的影響，正交試驗因素水平表如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表

2試驗結果及分析

試驗采用標準正交試驗L16(45)，表頭設計依次為進給量f、背吃刀量ap、切削速度v、刀具前角γo和空白列。空白列用于探測存在偶然因素而引起的結果變化，也可稱為誤差項。各種試驗因素得到的試驗結果與誤差項進行比較，以判斷因素水平對考察指標影響的顯著性。

(1)切削力分析

試驗采用直角自由切削的方式，以進給力Fy和主切削力Fz為考察指標。因背向力Fx較小而忽略不計。表2為切削力的平均值試驗結果。

表2 切削力試驗結果

切削力與各因素關系如圖2所示，試驗結果的方差分析結果見表3。具體方差分析過程為：計算偏差平方和S、自由度f、平均偏差平方和F值。用F值檢驗法進行顯著性檢驗，通常F>F0.01表明該因素高度顯著，記為**；F0.01>F>F0.05稱為顯著，記為*；F0.05>F>F0.10說明該因素有一定影響但不顯著；F<F0.10則認為該因素無影響。切削力方差分析結果表明，進給量和背吃刀量對主切削力和進給力的影響高度顯著，刀具前角對主切削力的影響顯著，且對進給力影響高度顯著。

圖2 切削力與各因素的關系

表3 切削力方差分析結果

隨著進給量和背吃刀量的增大，切削面積與摩擦力均增大，使切削力正比增大。但增加進給量會使切屑塑性變形減小，導致切削力下降。所以，切削力隨進給量和背吃刀量增大而增大，但進給量的影響程度小于背吃刀量(見圖2)。隨著切削速度的增加，剪切角增大和摩擦系數減小，切屑的塑性變形減小。同時，單位時間產生的切削熱增加，散熱體積卻基本不變，所以切削溫度隨之上升，熱軟化效應增強，使變形區內鈦合金材料的強度和硬度降低。隨著切削速度的提高，應變率隨之增大，應變率強化作用又會使變形區內材料的強度和硬度提高。這些因素的綜合作用，使切削力隨切削速度提高而緩慢減小，呈現出圖2所示的變化趨勢。隨著刀具前角的減小，剪切角將隨之減小，前刀面對切屑的擠壓更為嚴重，切屑的塑性變形及摩擦力增加。同時刀具的楔角增大使刀具變鈍，進給方向上的抗力增加更加明顯。切削力將隨刀具前角減小而增大且對進給力的影響更加顯著，呈現圖2所示的變化趨勢。

(2)鋸齒化程度

帶狀切屑的變形程度通常用變形系數來描述。變形系數越大，切屑的變形程度越大。鋸齒形切屑和帶狀切屑形成的機理不同，變形系數不能準確地描述鋸齒形切屑的變形程度。Schulz H.提出使用鋸齒化程度Gs定義鋸齒形切屑的變形程度。鋸齒化程度越大，鋸齒形切屑的變形程度越大，其公式表示為

Gs=(h1-h2)/h1 (1)

式中，Gs為鋸齒化程度；h1為切屑最大厚度；h2為切屑連續部分的高度。

采用ToupView軟件對每組切屑進行5次測量取平均值，測量方法如圖3所示，測量結果見表4。

圖3 鋸齒化程度測量方法

鋸齒化程度與各因素的關系見圖4，試驗結果的方差分析結果見表5。鋸齒化程度的方差分析結果表明，鋸齒化程度受刀具前角影響高度顯著，受進給量的影響顯著，切削速度對鋸齒化有一定影響但不顯著。

從圖4可以看出，背吃刀量的變化對鋸齒化程度影響較小，原因在于直角自由切削中背吃刀量遠大于進給量，切削過程中的變形可視為平面應變，即切削層中的塑性流動僅發生在垂直于刀具切削刃的平面上。

表4 鋸齒化程度試驗結果

表5 鋸齒化程度方差分析結果

切削鈦合金時，隨著切削速度的增加，切削溫度升高。切削溫度從切削層底部(與刀尖接觸處)至切削層頂部的分布極不均勻，更容易形成ASB。ASB區域內熱軟化效應的作用更加明顯，材料發生較大的剪切滑移變形，鋸齒化程度將隨切削速度提高而增加，如圖4所示。隨進給量的增加，鋸齒化程度隨之增加。當進給量大于0.14mm/r時，鋸齒化程度增加速率減緩(見圖4)。形成這種變化趨勢的原因有兩方面：一方面是切削鈦合金時，隨進給量增大，切削溫度由切削層底部至切削層頂部分布很不均勻，更容易形成ASB且該區域變形主要受熱軟化效應影響，并隨進給量的增大，刀—屑接觸長度(即第二變形區長度)增加，使前刀面對切屑節塊的擠壓作用加劇，因此隨進給量的增大，鋸齒化程度總體上呈增大趨勢；另一方面，由切屑微觀形貌可知，當進給量f≤0.14mm/r時，ASB處于由形變帶向轉變帶轉化的階段，ASB內的剪切滑移變形急劇增加，該階段鋸齒化程度急劇增大。相比之下，當進給量大于0.14mm/r時，鋸齒化程度的增加速率呈減緩趨勢。

圖4 鋸齒化程度與各因素的關系

隨著刀具前角的減小，受前刀面的擠壓，切削層表面變形更為嚴重，梯形基塊變形加劇。同時，在絕熱剪切形成過程中，梯形沿前刀面的滑移距離增加，剪切滑移變形增大，鋸齒化程度加劇(見圖4)。

3ASB的微觀形態

(1)ASB內組織特征

ASB形成過程中，如果剪切滑移變形的應變率較小，所產生的熱量有較長的時間傳遞給周圍材料，會形成寬度較大的升溫區。在溫度熱軟化效應的作用下，形成明顯高于梯形基塊的大塑性變形為主且寬度較大的形變帶(見圖5a)；隨著鋸齒形切屑變形程度增加，形變帶內變形不均勻，局部區域剪切滑移應變率較大，出現具有轉變帶晶粒組織特征的變形區，其他區域依然保持形變帶內的大塑性變形，形成形變帶和轉變帶共存的ASB(見圖5b)。鋸齒形切屑變形程度進一步增加，ASB內剪切滑移變形明顯加劇且高度集中。由于材料導熱性較差，使熱量迅速累計，溫度急劇升高，在高溫、剪應力和周圍材料擠壓的作用下發生較大的剪切滑移變形，晶粒組織細化呈現出纖維狀特征。經過腐蝕呈寬度很窄的“亮白帶”，與梯形基塊之間存在大塑性變形過渡區，晶粒組織發生了與大塑性變形有本質區別的組織結構轉變(見圖5c)。

(a)形變帶(f=0.14mm，ap=0.7mm，v=80m/min，γo=0°)

(b)形變帶+轉變帶(f=0.10mm，ap=0.9mm，v=120m/min，γo=0°)

(c)轉變帶(f=0.20mm，ap=0.9mm，v=100m/min，γo=-15°)

圖5 絕熱剪切帶內組織特征

如圖6a所示，在切削過程中，刀具前刀面與切屑底部之間互相摩擦和擠壓，使刀—屑接觸區持續保持高溫和高應變的狀態，在切屑底部形成與ASB組織形貌相似的亮白層。仔細觀察圖6b中的ASB可發現，ASB與切屑底面之間的夾角由A處到B處的變化過程中，先保持穩定再逐漸減小且寬度逐漸增加。鋸齒形節塊在離開第一變形區后仍然在前刀面上滑動，使ASB在前刀面擠壓和高溫的作用下發生彎曲并與切屑底面亮白層融合。

如圖6b所示，ASB中的應變分布不均勻，由刀尖處至切屑自由表面逐漸減小，所以ASB寬度由A處到B處逐漸增加。在ASB的形成過程中，窄帶內的材料經受了很大的變形和損傷，內部會產生大量微裂紋或微孔洞并迅速聚合，并在慣性力的作用下發生韌性斷裂形成鋸齒形切屑斷裂面。

如圖6c所示，因ASB寬度由刀尖至切屑自由表面逐漸減小，所以鋸齒形切屑斷裂面的纖維狀晶粒組織分布寬度，呈現D處明顯大于C處的趨勢。

圖6 絕熱剪切帶的形態(f=0.14mm，ap=1.1mm，v=140m/min，γo=-15°)

(2)鋸齒形切屑裂紋形態

如圖7所示，通過觀察切屑樣本形貌可知，在一定的切削條件下，鋸齒形切屑頂部會出現明顯的裂紋(位于ASB與下一個梯形基塊交界處)，并沿ASB方向擴展。ASB形成過程中，ASB內材料溫度較高，末端在梯形基塊材料和空氣的作用下迅速冷卻。同時，ASB與下一梯形基塊的交界處有明顯應變和溫度梯度，材料內部存在較大殘余應力。因此，ASB邊緣處成為裂紋源，易形成裂紋(見圖7a)。

鋸齒形切屑裂紋形成大小還與外界切削條件有關。刀具前角對其影響較顯著，刀具前角為10°時，切削過程中鋸齒形切屑裂紋更加明顯(見圖7b和圖7c)。當刀具前角為正前角，斷裂面受到的正壓力和剪應力相對減小，斷裂面在慣性力的作用下分離，遇到周圍的空氣迅速硬化，使裂紋進一步增大；當刀具為負前角時，兩個韌性斷裂面并未分離，鋸齒節塊和未變形切屑相互擠壓，斷裂面受到的正壓力和剪應力較大，斷裂面互相摩擦粘結，繼續發生較大的剪切滑移變形，這種條件下裂紋通常不會進一步擴展。

(a)f=0.14mm，ap=1.1mm，v=140m/min，γo=-15°

(b)γo=10°，f=0.17mm，ap=0.9mm，v=80m/min

(c)γo=10°，f=0.1.4mm，ap=0.5mm，v=100m/min

圖7 鋸齒形切屑裂紋形態

小結

(1)方差分析表明，進給量和背吃刀量對切削力的影響高度顯著，刀具前角對進給力的影響高度顯著而對主切削力的影響顯著。刀具前角、進給量和切削速度對鋸齒化程度的影響依次為高度顯著、顯著、有一定影響但不顯著。

(2)隨著鋸齒形切屑變形程度的增加，ASB內組織特征由形變帶向轉變帶轉化。由于ASB內應變分布不均勻，其寬度由刀尖至切屑自由表面逐漸減小。

(3)鋸齒形切屑裂紋在ASB與下一梯形基塊的交界處形成，并沿ASB方向擴展。因ASB末端高溫材料迅速冷卻，并且ASB邊緣處有較大的應變梯度和溫度梯度，該處會存在殘余應力，使ASB邊緣處易形成裂紋。刀具前角對裂紋影響較顯著，當刀具前角為10°時裂紋更加明顯。

原載《工具技術》 作者：王雨溥