第1章 绪论
本章综合研究微织构精准设计、制备及刀具介观几何特征（表面微织构、切削刃口）对钛合金切削性能的影响，并对多目标优化方法的应用进行研究。同时，本章以微织构球头铣刀铣削钛合金的物理性能、刀具磨损及表面质量为评价指标优化介观几何特征参数。该研究对改变钛合金目前的低效加工模式具有十分重要的意义。
1.1 钛合金切削加工的研究现状
钛合金虽然具备优异的综合性能，但其切削加工性能相对较差。切削过程常伴随着过大的切削力与过高的切削温度。尤其在铣削过程中，切削刃的受力是不连续的，在刀具身上就表现出切削温度的不断变化，循环的力热耦合作用很容易导致刀具磨损（孙少云等，2015；王亮，2012；何勇等，2010；刘月萍，2010）。
王哲等（2019）进行了陶瓷刀具车削TC4钛合金的试验，依靠扫描电镜与超景深显微镜观察了工件表面质量和刀具磨损形貌，同时对铣削力进行采集。综合上述几个评价指标研究了不同几何形状刀片的失效形态及失效机理。Liu等（2019）对Ti-6Al-4V微铣削过程进行了仿真与试验研究。研究了刀具钝圆刃口磨损量的增加对微端面铣削性能的影响。结果表明，刀具磨损对切削力、切削温度、切屑流动和毛刺形成有显著的影响。Mishra等（2019）考虑冷却液的作用下进行Ti-6Al-4V ELI正交车削试验，结果发现，切削速度对刀具磨损的影响*大，进给量对工件表面质量的影响*大。王永鑫和张昌明（2019）进行TC18钛合金的正交车削试验，研究了切削三要素对切削力和工件表面粗糙度Ra的影响。结果发现，切削深度对切削力的影响较大，进给速度对表面粗糙度的影响*大，切削速度对两者基本没有影响。
乌克兰的Devin等（2019）采用人造金刚石（polycrystalline diamond，PCD）刀具车削VT10钛合金，发现切削温度随着切削速度增加而升高，因此产生高硬度氧化钛和氮化物，并导致切削力出现明显的随机波动，这反过来使工件表面粗糙度产生变化。Seung等（2019）进行碳化物涂层陶瓷刀具切削Ti-6Al-4V的正交试验，发现在钛合金加工过程中，刀具磨损的主要原因是高温切削造成的切屑粘着，刀具材料是影响刀具寿命的主要因素。易湘斌等（2019）进行涂层硬质合金刀具切削TB6试验，对钛合金的切屑形态及几何特征进行研究，结果表明，随着切削速度增加，切屑尺寸与锯齿化程度同时增加，绝热剪切带的生成及演化是产生锯齿形切屑的主要原因。
Shokrani和Newman（2019）研究了Ti-6Al-4V钛合金深冷端铣刀的不同几何结构参数，研究表明，一个14°的前角和10°的主间隙角是*适合低温加工的几何结构；通过研究切削速度对刀具寿命的影响，得出110m/min的切削速度可以获得91min的*长刀具寿命，同时允许在加工Ti-6Al-4V时提高83%的生产率。总体而言，随着材料去除率提高，Ti-6Al-4V的加工性能受到显著影响。
程锐等（2018）为深入研究微织构刀具结合微量润滑技术对金属切削加工性的影响，利用激光机在硬质合金刀具前刀面制备出不同的微凹坑阵列，并在不同微量润滑条件下开展钛合金车削试验；以工件加工表面质量作为评价标准，对相关影响因素进行优选，并对刀具磨损进行分析。研究表明，在一定的加工条件下，表面质量有显著提高；其中，温度和面积占有率是主要的影响单因子，而刀具磨损仍以粘结磨损为主，磨损情况得到改善。
王沁军和孙杰（2019）针对钛合金Ti-6Al-4V的加工特性，采用聚晶立方氮化硼（polycrystalline cubic boron nitride，PCBN）刀具，基于单因素试验，研究高速铣削条件下工艺参数对切削力、切削振动等的影响规律，提出综合考虑切削力、切削振动、表面粗糙度的工艺参数优选方法。研究表明，切削力和切削振动随切削速度和每齿进给量的增大呈现一定的波动，且随径向切深和轴向切深增大而增大，切削振动受切削力影响较为显著。考虑切削性能，以材料切除率为优化目标，以切削力、切削振动和表面粗糙度等为约束条件，建立工艺参数优选模型，可以得到不同约束条件下工艺参数的优选组合。
陶亮等（2018）以硬质合金刀具切削钛合金Ti-6Al-4V为研究对象，采用约翰逊-库克（Johnson-Cook）本构模型，运用金属切削仿真软件进行了高压冷却、浸入式冷却及局部喷射冷却的切削仿真分析。仿真结果表明，在三种冷却方式中，刀具高温区主要分布在切削刃附近区域；在浸入式冷却中切削刃温度和应力*低、切削力*小；浸入式冷却切削性能*好，高压冷却性能次之，局部喷射冷却性能*差。
彭凌洲等（2018）通过4种钝化值PCD刀具在不同切削参数下铣削钛合金试验，研究了刃口钝化对工件表面粗糙度与刀具寿命的影响；使用触针式表面粗糙度仪检测工件表面粗糙度，利用超景深显微镜观察刀具刃口磨损状况，并以刀具后刀面磨损量大于0.2mm或刃口崩缺时的切削距离表示刀具寿命。结果表明，钝化PCD刀具铣削钛合金表面粗糙度大于未钝化PCD刀具，表面粗糙度随钝化值增大而增大；钝化PCD刀具铣削钛合金时，与未钝化PCD刀具相比，刀具寿命更高；刀具寿命随钝化值增大呈先提高后降低的趋势，当钝化值为15μm时，刀具寿命*高。
罗学全等（2019）为了研究刀具切削钛合金时的失效机理，利用物理气相沉积（physicalvapordeposition，PVD）涂层刀具进行钛合金铣削试验并通过对刀具刃口区及前后刀面磨损区域进行观测及元素检测，发现三个区域的失效形式各不相同，前后刀面以粘结磨损为主导致其失效，而刃口磨损主要是粘结及机械疲劳因素导致的，刃口磨损产生的微裂纹扩展到前后刀面引发刀具崩坏。郑敏利和范依航（2011）对切削钛合金过程中的刀-屑接触区进行研究，通过刀具切削区域的温度差异来解释刀具与切屑的摩擦状态，指出切削冷却条件不同对钛合金切削时的应力场与温度场影响较大，而切削过程中温度与材料属性变化复杂，很难控制刀-屑间的摩擦状态。
许良（2020）对钛合金切削后发生的回弹展开研究，通过摩擦原理计算切削过程中工件的理论回弹量，为探究不同切削参数下已加工表面回弹量差别，利用有限元技术进行二维切削试验，试图从刀具设计角度减少刀具振动并减少已加工表面的回弹量。刘进彬（2020）采用正交车铣方法加工钛合金，该方法使工件及刀具共同旋转，以此解决钛合金加工表面热量不易消散的问题，将切削力作为评价指标。可以发现，在正交车铣中轴向进给量对切削力影响*大，而切削深度与铣刀转速增加可以降低切削力，工件转速增加会导致切削力同步增长。
刘丽娟等（2015）对钛合金高速切削产生切屑进行研究，发现切削层在高速铣削过程中其**变形区的材料会在刀具作用下出现熔融再结晶的现象，通过这一结论对Johnson-Cook本构模型进行改进，并验证了改正后的材料模型具有更高的准确性。Su等（2012）针对钛合金高速切削刀具磨损情况，在高速切削中刀具表面温度升高加快刀具磨损，但相比PCBN刀具，PCD刀具在切削钛合金时磨损较小，且切削速度越高差别越明显。通过扫描电镜对刀具破损处进行分析发现，粘结磨损与扩散磨损是刀具失效的主要形式。
郭涛（2019）针对钛合金车削效率低下展开新工艺研究，从刀具结构出发设计具有消振效果的刀具并利用摆动车削技术将钛合金车削速度提高近50%。王宝林（2013）对车削钛合金的切削参数展开研究，结果发现切削深度是影响切削力的主要因素，但对刀具寿命影响不大，切削速度对刀具寿命与切削温度影响明显，此外还总结了切屑形态与切削参数之间的联系。姜增辉等（2014）对切削钛合金的刀具牌号展开研究，通过研究不同切削速度情况下的刀具磨损形式，发现在低速切削时刀具磨损主要由切屑粘结导致，而高速切削下还伴有扩散磨损与氧化磨损，并总结出适合不同切削速度时的刀具牌号。
总体来说，钛合金的加工是一项系统性工程，开发新型刀具结构、寻求经济高效的切削工艺、优化仿真技术等均能够提高钛合金的切削性能、提高加工效率，进而提高产品质量。但是，加工质量、刀具寿命、生产成本等多目标的工艺方案仍需优化，不同冷却润滑介质在刀具、工件、切屑中的耦合作用机理也仍然需要深入探索。
1.2 微织构刀具制备的方法
制备出表面微织构的方法主要有高压脉冲加工法、机械加工法及化学处理法等。高压脉冲加工法包括：激光加工、电火花加工及聚焦离子束加工。机械加工法包括：表面划刻加工、表面压刻加工、超声加工、磨料射流加工、磨削加工及微切削加工。化学处理法主要包括：光化学刻蚀、反应离子刻蚀及化学涂层等。在诸多加工方法中，激光加工由于加工精度高，成本低且易于实现计算机控制而成为表面微织构制备技术中*为常用的方法。
国内外相关研究表明，激光参数对加工微织构的几何成型有很大的影响，具体研究内容如下。陈世平等（2015）以发动机常用摩擦副作为研究对象，分析了采用不同激光工艺参数对凹腔微观参数的影响，研究表明激光功率增大，已加工工件表面汽化现象明显，加工表面蒸气部分受到电离加热，进而通过热辐射使前方冷空气也发生加热和电离，形成激光维持燃烧波。当激光功率增大时，激光维持燃烧波吸收能量变多，形成激光支持爆轰波，使射入的激光被工件表面完全吸收。当激光头距工件2mm并且泵浦电流为15.5～17.5A时激光加工质量*好；并发现随着脉冲次数增加，凹腔深度呈线性增长，而凹腔半径尺寸基本不变。表面多次扫描的光斑重叠，是由于激光能量为高斯分布，光斑四周的功率密度较小。当凹腔深度较大时，熔融的金属喷溅不出凹腔，熔融金属会在凹腔内重铸，导致深度减小，因此脉冲次数的选择不宜过多。陈辉（2011）用光纤激光器分析了激光工艺参数对钢箔表面冲孔质量的影响，研究表明，随着激光功率增加，气相作用越来越明显，蒸气冲击作用增强，气相物质带走的液相物质越来越多，微坑的直径越来越大，孔周围热影响区域增大，成型精度下降，激光制备微织构流体模型如图1-1所示；随着扫描速度增加，由于脉冲速度减小，材料去除率减小，孔的直径越来越小，当扫描速度超过5mm/s时，不能形成孔；随着激光脉冲频率增加，单脉冲峰值功率减小，单脉冲所去除的物质减少，去除率降低，孔径基本不变。
图1-1 激光制备微织构流体模型
张培耘等（2013）分析了离焦量、重复频率和重复次数等对微织构质量的影响，研究表明微凹腔深度和直径随着泵浦电流增加而变大；随着重复频率范围增大，由于脉冲峰值功率下降，单个凹腔每次获得的脉冲能量逐渐减小，凹腔直径和深度呈减小的趋势。李小兵等（2004）利用模糊分析法在Al2O3陶瓷材料上采用准分子激光器加工出微织构，分析激光放大器的扫描速度、脉冲频率和电压等各参数对材料表面粗糙度的影响，发现激光扫描速度对表面形貌参数的影响*大，激光脉冲频率对表面形貌参数的影响次之、激光放大器电压对表面形貌参数的影响*小。符永宏等（2012）为分析激光工艺参数对微织构质量的影响，利用泵浦激光器“单脉冲同点间隔多次”对SiC机械密封试件端面进行激光加工工艺试验研究，研究表明，由于微凹腔的直径由一组脉冲中单个脉冲的能量、宽度等参数决定，因此重复的频率对微织构参数几乎无太大的影响；微织构直径和深度随着泵浦电流增加而变大，当电流为14～16A时效果*好，其原因是光束模式为基模的激光能量分布呈高斯分布，越靠近光轴功率密度越大。因此，靠近光轴区域汽化，远离光轴区域融化。泵浦电流越大，即功率密度越大，产生的蒸汽压力越大，高压蒸汽带走的液相物质越多，孔径越大；当重复次数在10次以内时，微凹腔的深度随着重复次数增加近似呈线性增大的趋势，而由于光斑的重叠，微凹腔的直径几乎不变。苏永生等（2014）在硬质合金刀具的前刀面利用光纤激光器加工出微坑织构和微沟槽织构，分析了加工工艺参数对微织构形态的影响，其中平均功率增大会引起微坑直径和微沟槽宽度同时增加；相反，脉冲频率增加会导致微坑直径和微沟槽宽度同时减
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