薄壁盤類零件超聲振動(dòng)車削實(shí)驗(yàn)研究

王　翀，隋　翯，張翔宇，陳華偉，吳瑞彪，張德遠(yuǎn)

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，黑龍江哈爾濱150060）

薄壁盤類零件超聲振動(dòng)車削實(shí)驗(yàn)研究

王翀1，隋翯1，張翔宇1，陳華偉1，吳瑞彪2，張德遠(yuǎn)1

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，黑龍江哈爾濱150060）

薄壁盤是典型的弱剛度輕量化零件，其壁厚很薄（最薄處僅0.3 mm），型面面積較大，故剛性較差。在切削過(guò)程中，切削力導(dǎo)致的型面變形是薄壁盤類零件加工的主要難題，傳統(tǒng)加工方法很難得到高精度和高質(zhì)量的產(chǎn)品。利用超聲振動(dòng)切削技術(shù)嘗試進(jìn)行弱剛度薄壁盤加工，在自行搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)超聲振動(dòng)車削和普通車削加工薄壁盤進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：與普通車削相比，超聲振動(dòng)車削可顯著減小切削力和切削變形，大幅提高加工質(zhì)量，同時(shí)具有斷屑特性，是加工薄壁盤類零件的有效方法。

超聲振動(dòng)車削；薄壁盤；表面粗糙度；切削變形

近年來(lái)，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、推力/推重比等技術(shù)的要求越來(lái)越高，輕質(zhì)輕量化、結(jié)構(gòu)整體化、高精高效化已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的發(fā)展方向［1］，細(xì)長(zhǎng)軸、異形深孔和薄壁盤等超弱剛度件已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。

薄壁盤類零件壁厚小、面積大，用傳統(tǒng)金屬車削機(jī)床加工時(shí)存在切削力導(dǎo)致的加工變形大、成品率低等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足零件加工尺寸和形位公差等要求，嚴(yán)重影響了零件的加工精度。由于傳統(tǒng)金屬車削大多利用優(yōu)化工藝路線、減小進(jìn)刀量及增加刀具鋒利度等方法來(lái)減小切削力，從而提高工件精度，但這些方法會(huì)降低切削效率、增大加工成本，且切削力的降低效果不明顯［2］。

本文針對(duì)薄壁盤類零件車削過(guò)程中的切削力問(wèn)題，通過(guò)超聲振動(dòng)車削實(shí)驗(yàn)證明超聲振動(dòng)車削能有效減小切削力［3］，從而減小變形，提高加工精度，還可改善表面粗糙度。

1　超聲振動(dòng)車削系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用的超聲振動(dòng)車削系統(tǒng)由超聲振動(dòng)刀桿（圖1）、換能器及超聲振動(dòng)電源構(gòu)成。系統(tǒng)搭建在某數(shù)控車削中心上，刀具型號(hào)為VBMT160402-MF-1125，超聲換能器裝夾在工裝中。

圖1　超聲振動(dòng)車削刀桿

超聲振動(dòng)切削與傳統(tǒng)切削有很大不同。傳統(tǒng)切削方式為連續(xù)切削，切削過(guò)程中切削刃和切屑始終接觸；而在振動(dòng)切削過(guò)程中，刀具以一定的特殊軌跡運(yùn)動(dòng)，從而形成一種全新的切削方法。超聲橢圓振動(dòng)切削的刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)橢圓，是2個(gè)方向上相互垂直、頻率相等且具有一定相位差和振幅的單向振動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)軌跡，其切削過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2　超聲振動(dòng)車削的切削原理示意圖

2　超聲振動(dòng)車削實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)利用自主研制的超聲振動(dòng)加工系統(tǒng)對(duì)45鋼薄壁盤進(jìn)行切削加工。薄壁盤零件見(jiàn)圖3，安裝于特制工裝上，并采用端面壓緊的方式固定。加工條件見(jiàn)表1。

2.2切削力對(duì)比結(jié)果

對(duì)主軸轉(zhuǎn)速300 r/min、切深0.05 mm條件下的超聲振動(dòng)車削的切削力進(jìn)行測(cè)量。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，先采用超聲振動(dòng)車削，再關(guān)閉超聲振動(dòng)電源進(jìn)行普通車削，通過(guò)測(cè)力儀的力信號(hào)分別觀察、測(cè)量?jī)煞N車削加工過(guò)程中的實(shí)際切削力大小。

圖4是切削力信號(hào)對(duì)比圖?？煽闯觯曊駝?dòng)車削的動(dòng)態(tài)切削力比普通車削顯著降低約50%。而通過(guò)改變主軸轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速為200～500 r/min時(shí)，超聲振動(dòng)車削的切削力也比普通車削顯著降低，轉(zhuǎn)速較高時(shí)切削力降低更明顯。因此，超聲振動(dòng)車削能有效減小切削時(shí)的切削力，從而減小因切削力造成的變形，提高尺寸精度。

表1　薄壁盤超聲振動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)條件

圖3　薄壁盤

圖4　切削力對(duì)比曲線

圖5　切削力與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系變化曲線

2.3切削尺寸精度對(duì)比結(jié)果

為了驗(yàn)證2種車削方法對(duì)薄壁盤零件尺寸精度的影響，分別對(duì)超聲振動(dòng)車削和普通車削加工的薄壁盤變形量進(jìn)行測(cè)定。在薄壁盤加工完成后，用激光測(cè)微儀對(duì)加工型面進(jìn)行掃描，對(duì)測(cè)得的型面尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)圖6。可看出，超聲振動(dòng)車削薄壁盤的整體變形量均顯著小于普通車削，變形量最大處均位于薄壁盤零件型面中部，超聲振動(dòng)車削的最大變形量?jī)H約普通車削的50%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，超聲振動(dòng)車削加工薄壁盤零件的尺寸精度提高效果更明顯。

圖6　超聲振動(dòng)車削與普通車削型面形貌對(duì)比

2.4表面粗糙度對(duì)比結(jié)果

表面粗糙度也是薄壁零件加工的關(guān)鍵指標(biāo)之一。實(shí)驗(yàn)中，在相同的加工條件下，分別對(duì)超聲振動(dòng)車削和普通車削的薄壁盤型面的表面粗糙度值進(jìn)行測(cè)量，選取不同加工方法的試件型面上的相同位置進(jìn)行測(cè)量。從測(cè)得的Ra值和紋理曲線（圖7）可看出，在相同加工條件下，超聲振動(dòng)車削的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于普通車削，表面紋理更平滑。

圖7　不同加工方法的試件表面紋理曲線

在保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變、主軸轉(zhuǎn)速不同的條件下，測(cè)量超聲振動(dòng)車削和普通車削的零件表面粗糙度值，結(jié)果見(jiàn)圖8?？煽闯觯曊駝?dòng)車削得到的零件表面粗糙度值均低于普通車削，也驗(yàn)證了超聲振動(dòng)車削表面質(zhì)量更優(yōu)的結(jié)論。

2.5超聲振動(dòng)車削斷屑效果

此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)車削具有斷屑的功能，這更利于薄壁盤零件的加工。普通車削產(chǎn)生的切屑為連續(xù)的帶狀屑，極易纏繞在刀尖和刀桿上造成積屑（圖9a），使加工精度和表面粗糙度變差。在超聲振動(dòng)車削中，連續(xù)的軸向振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)刀尖和工件分離的現(xiàn)象，這種刀尖切入和切出能起到有效斷屑的作用，使加工產(chǎn)生的切屑為短小的細(xì)碎屑（圖9b）。由于其體積很小，不會(huì)堆積成團(tuán)，因此不會(huì)造成積屑現(xiàn)象，也不會(huì)影響加工精度和表面粗糙度。

圖8　表面粗糙度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖9　不同車削條件下的切屑對(duì)比

3　結(jié)論

（1）超聲振動(dòng)車削可起到減小切削力的作用，是一種有效減小薄壁盤加工變形量的方法。

（2）超聲振動(dòng)車削可起到抑制顫振的作用，能顯著提高薄壁盤的表面質(zhì)量。

（3）在超聲振動(dòng)車削航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁盤的實(shí)驗(yàn)中，在主軸轉(zhuǎn)速300 r/min、精加工切深0.05 mm及進(jìn)給量0.08 mm/r的條件下，尺寸精度和表面粗糙度均比普通車削提高了約一倍，說(shuō)明超聲振動(dòng)車削是一種有效提高薄壁零件加工質(zhì)量的加工方法。

［1］ 王良.我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)［J］.航空制造技術(shù)，2008（25）：32-37.

［2］ 李勛，張德遠(yuǎn).單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)車削薄壁筒實(shí)驗(yàn)研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2006，27（4）：720-723.

［3］ LI Wen，ZHANG Deyuan.High frequency ultrasonic elliptical vibration turning studty for weak rigidity precision workpiece［J］.Key Engineering Materials，2011，467-469：236-240.

Experiment Study on the Ultrasonic Vibration Turning of Thin-wall Plate Parts

Wang Chong1，Sui He1，Zhang Xiangyu1，Chen Huawei1，Wu Ruibiao2，Zhang Deyuan1
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.AVIC Harbin Dongan Engine（Group）Corporation Ltd.，Harbin 150060，China）

Thin-wall plates are the typical weak stiffness lightweight parts which have the thin wall （only 0.3 mm in most thin）and large surface area result in the weakstiffness.During the cutting process，the surface deformation caused by the cutting force is the core problem.Therefore，it′s hard to obtain high accuracy and quality through the traditional machining methods.The ultrasonic vibration turning method to machine the weak stiffness thin-wall plates was proposed.On the self-built up experiment platform，ultrasonic vibration turning and ordinary turning experiments on the thin-wall plates were carried out.The results showed that ultrasonic vibration turning can effectively decrease the cutting force and cutting deformation as well as enhance the machining quality significantly compared with the ordinary turning，meanwhile，ultrasonic vibration cutting has the chip breaking characteristic. The ultrasonic vibration turning is an effective method on the thin-wall plate parts maching.

ultrasonic vibration turning；thin-wall plate；surface roughness；cutting deformation

TG663

A

1009－279X（2016）03－0033-03

2016-01-13

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GA12A402）

王翀，男，1990年生，碩士研究生。