鈦合金超聲振動鉆削特性研究*

西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 楊 杰 田錫天 劉書暖

鈦合金因輕質(zhì)、高強度和耐腐蝕等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)，然而由于導(dǎo)熱系數(shù)小、變形系數(shù)小和硬度大等原因，導(dǎo)致其切削加工性較差，不僅加工成本高，而且加工精度不易保證，是典型的難加工材料[1-2]。

超聲振動鉆削因能夠提高加工質(zhì)量，延長刀具壽命，改善難加工材料的切削加工性等，受到廣泛關(guān)注[3-5]，并逐步應(yīng)用于難加工材料的加工。目前，對超聲振動鉆削機理和特性的研究還不夠深入，大多還只是根據(jù)加工效果進行分析和推測，而且針對鈦合金加工的工藝參數(shù)研究也相對較少，制約了其在鈦合金上的應(yīng)用。同時，鉆頭磨損是影響鈦合金加工質(zhì)量和效率的重要因素，在超聲振動鉆削減輕鉆頭磨損問題上，研究人員的觀點也未統(tǒng)一。

切削力是表征加工過程的重要參數(shù)，是研究超聲振動鉆削的機理、狀態(tài)和加工質(zhì)量的重要物理量[6]。因此，本文在自主研制的超聲振動鉆削裝置的基礎(chǔ)上，進行鈦合金超聲振動鉆削的切削力試驗，著重研究鈦合金超聲振動鉆削的特性、鉆頭磨損及工藝參數(shù)對切削力的影響。

1 試驗設(shè)計

超聲振動鉆削試驗系統(tǒng)由鉆削部分和動態(tài)測力部分構(gòu)成。

鉆削部分包括超聲波發(fā)生器、數(shù)控機床和超聲振動鉆削裝置。其中，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生18.0～25.0kHz的高頻電信號，傳遞給超聲振動鉆削裝置。該裝置利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將高頻電信號轉(zhuǎn)換為高頻機械振動，并通過變幅桿將機械振動振幅放大至15～40μm，最終傳遞給鉆頭。機床主軸旋轉(zhuǎn)和鉆頭高頻機械振動復(fù)合，從而進行超聲振動鉆削。

動態(tài)測力部分包括Kistler5019壓力傳感器、Kistler9257A電荷放大器和Genesis2i數(shù)據(jù)采集儀，用于實時采集記錄切削力數(shù)據(jù)。其中，壓力傳感器將切削力信號轉(zhuǎn)換為電信號，并傳遞到電荷放大器。電荷放大器將電信號放大后，傳遞給數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀以一定頻率采集記錄數(shù)據(jù)，并實時繪制切削力曲線。

試驗前，檢測系統(tǒng)的諧振頻率，選定超聲加工頻率為20.3kHz，功率為300W。鈦合金Ti-6Al-4V試件厚3.2mm，物理性能如表1所示。試驗選用硬質(zhì)合金鉆頭，直徑為5mm。為避免外力干擾，用螺栓將試件安裝在壓力傳感器上，壓力傳感器固定在機床工作臺上。

本文采用正交試驗方法，研究進給速度、切削速度、鉆頭頂角和振幅對超聲振動鉆削鈦合金切削力的影響，并以普通鉆削作為對照，研究超聲振動鉆削的切削力、加工質(zhì)量和鉆頭磨損特性。試驗時，關(guān)閉超聲波發(fā)生器即可進行普通鉆削。具體的試驗加工參數(shù)如表2所示。

表1 鈦合金Ti-6Al-4V物理性能

表2 試驗加工參數(shù)

2 鈦合金超聲振動鉆削特性分析

2.1 超聲振動鉆削對切削力的影響

對比超聲振動鉆削與普通鉆削的切削力可知，相同條件下，較普通鉆削，超聲振動鉆削可以大幅度降低切削力。因為超聲振動鉆削的鉆頭旋轉(zhuǎn)與超聲振動復(fù)合，刀刃在單位長度和時間里除去材料的體積更小，而且鉆頭高頻沖擊工件材料，使工件表面產(chǎn)生大量微裂紋，利于材料的去除，因而有效降低了切削力。

分析二者加工過程可知，超聲振動鉆削的切削力波動更明顯，而且波動隨振幅增大而增大。因為超聲振動鉆削的鉆頭高頻沖擊工件，導(dǎo)致切削力不穩(wěn)定。隨著振幅增大，沖擊距離增大，沖擊作用更劇烈，導(dǎo)致切削力波動增大。切削力波動會導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定。如何協(xié)調(diào)超聲振動鉆削的切削力降低帶來的正面效果和切削力波動導(dǎo)致的負面效果，還需深入研究。

2.2 超聲振動鉆削對加工質(zhì)量的影響

超聲振動鉆削與普通鉆削的孔口質(zhì)量對比如圖1所示，上排為普通鉆削，孔口有明顯的毛刺和翻邊，下排為超聲振動鉆削，孔口幾乎沒有毛刺和翻邊，說明超聲振動鉆削的質(zhì)量優(yōu)于普通鉆削。由于鈦合金切削加工性較差，普通鉆削的毛刺和翻邊一直制約其加工質(zhì)量的提高。超聲振動鉆削時，高頻沖擊促進了斷屑，減少了翻邊，而且高頻振動使毛刺自動脫落，因而超聲振動鉆削的質(zhì)量更好。

圖2是超聲振動鉆削與普通鉆削的切屑形態(tài)對比圖，對比圖2(a)和圖2(b)可知，超聲振動鉆削的切屑呈細小片狀，普通鉆削的切屑為帶狀，說明超聲振動鉆削的斷屑效果更好。普通鉆削鈦合金易形成帶狀切屑，破壞已加工表面。超聲振動鉆削的高頻沖擊促進了斷屑，切屑由帶狀變?yōu)槠瑺?，切屑對已加工表面的磨損減輕，因而能提高孔表面質(zhì)量。

圖1 孔質(zhì)量對比Fig.1 Comparison of hole quality

圖2 切屑形態(tài)對比Fig.2 Comparison of chip form

2.3 超聲振動鉆削對鉆頭磨損的影響

超聲振動鉆削與普通鉆削的鉆頭磨損對比如圖3所示，對比圖3(a)和圖3(b)可知，相同條件下，加工50個通孔后，采用超聲振動鉆削，鉆頭磨損程度較輕。

普通鉆削時，由于鈦合金的變形系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)親和性強等原因，導(dǎo)致鉆頭磨損嚴重。超聲振動鉆削時，鉆頭與工件材料間斷接觸，鉆頭的持續(xù)應(yīng)力變形減輕，因而減輕了應(yīng)力變形導(dǎo)致的鉆頭磨損和鉆頭的急劇溫度升高。同時，高頻振動促進了斷屑和切屑的排出，減輕了切屑對鉆頭的擠壓和摩擦導(dǎo)致的鉆頭磨損。因此，超聲振動鉆削時，鉆頭磨損程度減輕。

3 工藝參數(shù)對切削力的影響分析

3.1 振幅對切削力的影響

分析切削力隨振幅變化規(guī)律可知，切削力隨振幅增大而明顯減小。振幅是超聲振動鉆削特有的工藝參數(shù)，增大振幅，沖擊切削作用增強，工件表面的斷裂應(yīng)力增加，因而切削力減小。

圖3 鉆頭磨損對比(f =0.1 mm/r，r =600r/min，ψ=118°)Fig.3 Comparison of drill wear

此外，當增大振幅時，刀具的后刀面在已加工表面的重復(fù)擠壓密度增加，因而工件粗糙度降低；刀具的前刀面與切屑的磨擦力減小，刀具與已加工表面的磨損減輕。因此，增大振幅能夠提高表面質(zhì)量，減輕刀具磨損。超聲振動鉆削鈦合金時，為有效降低切削力、提高表面質(zhì)量和減輕刀具磨損，應(yīng)選擇較大振幅。

3.2 切削速度對切削力的影響

分析切削力隨切削速度變化規(guī)律可知，切削力隨切削速度增大而減小，類似于普通鉆削。而且，相同條件下，超聲振動鉆削的切削力降幅更大。

普通鉆削時，由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，傾向于選擇較低切削速度，避免因溫度過高導(dǎo)致表面冷硬和鉆頭快速磨損。超聲振動鉆削時，鉆頭的高頻沖擊作用能夠有效降低切削力，因而切削力降幅更大。由前文分析可知，超聲振動鉆削可有效改善由切削速度增加引起的溫度急劇升高，因而能改善溫度過高導(dǎo)致的表面冷硬和鉆頭快速磨損。因此，超聲振動鉆削鈦合金時，可選擇較大切削速度以減小切削力，提高效率。

3.3 鉆頭頂角對切削力的影響

分析切削力隨鉆頭頂角變化規(guī)律可知，超聲振動鉆削時，切削力隨鉆頭頂角增大而增大，類似于普通鉆削。而且，在較高主軸轉(zhuǎn)速下，切削力對鉆頭頂角變化更為敏感，增幅更大。

普通鉆削時，鉆頭頂角減小，切削刃單位長度負荷減小，促使切削力減小，但是鉆頭強度減弱，磨損加劇，因而宜選擇130°～140°頂角的鉆頭以提高鉆頭耐用度。超聲振動鉆削鈦合金時，選擇標準頂角的鉆頭就可以有效降低切削力，減弱了鉆頭頂角對鉆頭磨損的負面影響。因此，超聲振動鉆削鈦合金時，宜選用小頂角鉆頭，既可有效減小切削力，又能減少刃磨時間以提高加工效率。

3.4 進給速度對切削力的影響

分析切削力隨進給速度變化規(guī)律可知，切削力隨進給速度增大而增大，類似于普通鉆削。而且，相同條件下，超聲振動鉆削的切削力增幅更小。

普通鉆削時，切削力隨進給速度增大而增大，進給速度應(yīng)選擇適中，過大易燒傷刀刃。超聲振動鉆削時，由于其非連續(xù)切削和高頻沖擊，改善了斷屑，減弱了因進給速度增加帶來的切削力增加效應(yīng)，因而切削力增幅較小。因此，超聲振動鉆削鈦合金時，在保證切削力的增幅不影響加工質(zhì)量和刀具壽命的前提下，可適當選取較大的進給速度以提高加工效率，并最終降低加工廠本。

4 結(jié)論

本文在自主研制的超聲振動鉆削裝置基礎(chǔ)上，進行了鈦合金的超聲振動鉆削試驗研究。研究表明：

(1)超聲振動鉆削的切削力隨振幅增大而減小，隨切削速度、鉆頭頂角和進給速度變化的規(guī)律與普通鉆削相似，但相應(yīng)變化幅度更大，為將普通鉆削的工藝參數(shù)選擇應(yīng)用于超聲振動鉆削提供了參考；

(2)超聲振動鉆削鈦合金時，一定切削速度范圍內(nèi)，采用小頂角鉆頭、較大振幅和較高的進給速度，能夠更好地發(fā)揮超聲振動鉆削的優(yōu)勢，改善加工質(zhì)量，提高加工效率，并最終降低加工成本。

[1] 趙永慶，周廉. 鈦合金基礎(chǔ)性問題研究術(shù). 金屬學(xué)報，2002(9)：25-29.

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