高溫合金超聲振動(dòng)鉆削系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

陳 碩 ，鄒 平 ，徐英帥 ，田英健

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，遼寧 沈陽 110023）

1 引言

高溫合金屬于難加工材料[1]，不易進(jìn)行切削加工，尤其在鉆削加工方面，鉆削溫度升高時(shí)，高溫合金強(qiáng)度增大，殘余應(yīng)力增大，易產(chǎn)生表面硬化，加工起來更是困難。在加工過程中鉆頭容易磨損，材料表面形成硬質(zhì)點(diǎn)，對(duì)鉆頭產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，導(dǎo)致鉆頭損壞。在鉆削過程中，材料容易與鉆頭粘結(jié)，產(chǎn)生積屑瘤，鉆削得到的表面質(zhì)量不高，很難做到精密加工，因此研究有效的鉆削加工方法是非常必要的。超聲加工技術(shù)是一種將超聲振動(dòng)運(yùn)用于精密或超精密加工的技術(shù)[2]。目前，國內(nèi)外許多高校和科研院所對(duì)超聲振動(dòng)鉆削這一領(lǐng)域展開了深入細(xì)致的研究，開始采用超聲振動(dòng)加工方法進(jìn)行鉆削，總體看來超聲振動(dòng)鉆削加工效果相比普通鉆削更好，表面質(zhì)量相對(duì)普通鉆削也有所提高，并進(jìn)行了大量的超聲振動(dòng)鉆削的試驗(yàn)，所得到的數(shù)據(jù)與普通鉆削效果對(duì)比，優(yōu)點(diǎn)更多。文獻(xiàn)[3]中表明了超聲振動(dòng)加工鉆削力更小，文獻(xiàn)[4]中說明了超聲振動(dòng)可以使鉆削過程中溫度降低，文獻(xiàn)[5]中研究了超聲振動(dòng)加工鉆削可以延長刀具的壽命等等。這些理論和試驗(yàn)分析側(cè)重于加工方法的優(yōu)越性，對(duì)超聲振動(dòng)鉆削的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和仿真研究的不多。在鉆削的過程中，所設(shè)計(jì)的振動(dòng)機(jī)構(gòu)非常重要，產(chǎn)生的振動(dòng)模型和頻率對(duì)加工具有很大的影響。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是超聲振動(dòng)鉆削的基礎(chǔ)，它的振動(dòng)方式和頻率是超聲振動(dòng)鉆削的重要因素，直接影響著鉆削的加工效果。所以研究從超聲振動(dòng)鉆削的機(jī)構(gòu)作為切入點(diǎn)，利用ABAQUS軟件對(duì)變幅桿建模以及振型進(jìn)行仿真，通過模態(tài)分析得出了振動(dòng)系統(tǒng)的振型階數(shù)和頻率大小，并運(yùn)用到實(shí)際加工，采用精密儀器測(cè)量孔表面質(zhì)量并進(jìn)行對(duì)比分析，超聲振動(dòng)鉆削孔表面質(zhì)量較好。

2 超聲振動(dòng)鉆削理論

超聲振動(dòng)鉆削，在鉆頭上增加一個(gè)規(guī)律性振動(dòng)，使傳統(tǒng)的鉆削方式改變，由連續(xù)鉆削轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)鉆削。在鉆頭切削刃上任取一個(gè)點(diǎn)P（x，y，z），普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削過程中坐標(biāo)隨著時(shí)間變化的方程，如式（1）、式（2）所示。

式中：R—鉆頭半徑；fz—進(jìn)給量；A—振幅；n—主軸轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)中R=6mm，fz=0.08mm/r，A=15μm，n=200r/min，根據(jù)參數(shù)做出切削刃上點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，如圖1所示。

圖1 普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削切削刃上點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.1 P Point of Cutting Edge Motion Trajectory by Drilling and Ultrasonic Vibration Drilling

超聲振動(dòng)鉆削中刀刃的軸向瞬時(shí)切削厚度隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)角度的變化而發(fā)生周期性的迅速變化，和普通鉆削相比，超聲振動(dòng)鉆削的切削軌跡的軸向距離不再相等，而是發(fā)生周期性的迅速改變，這也改變了鉆削的切削機(jī)理。

3 超聲振動(dòng)鉆削設(shè)備仿真

3.1 超聲振動(dòng)鉆削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超聲振動(dòng)鉆削機(jī)構(gòu)裝置主要由換能器，變幅桿，鉆夾頭和鉆頭等四個(gè)部分構(gòu)成機(jī)構(gòu)圖，如圖2所示。首先，將變幅桿和換能器插入到套筒內(nèi)部，用法蘭夾緊，采用螺栓進(jìn)行固定，電線從套筒尾部的孔伸出連接到發(fā)生器。變幅桿前端連接鉆夾頭，夾緊鉆頭。套筒尾部用機(jī)床尾座進(jìn)行夾緊，套筒利用中心架進(jìn)行固定，設(shè)備安裝過程結(jié)束。之后調(diào)節(jié)中心，使鉆頭的中心與加工中心重合，保證鉆頭正確鉆削工件。在超聲振動(dòng)輔助鉆削過程中，發(fā)生器將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬袷幮盘?hào)，連接到換能器，換能器將電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)，通過變幅桿進(jìn)行放大，使鉆頭產(chǎn)生軸向超聲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)鉆削。

圖2 超聲振動(dòng)鉆削裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Ultrasonic Vibration Drilling Device

3.2 利用有限元法設(shè)計(jì)變幅桿

變幅桿是超聲振動(dòng)鉆削系統(tǒng)組成的關(guān)鍵部分，變幅桿的設(shè)計(jì)對(duì)振型以及鉆削效果具有重要的影響。由于階梯形變幅桿放大系數(shù)大，并且容易加工，所以采用階梯形變幅桿。對(duì)變幅桿三維造型要力求精確，設(shè)計(jì)過程與實(shí)際工作過程保持一致，包括階梯形變幅桿的凸起部分以及凹陷部分等等，不能進(jìn)行簡化。由于鉆夾頭重量較輕，對(duì)實(shí)際產(chǎn)生的振幅影響很小，因此在進(jìn)行模擬仿真時(shí)可以對(duì)鉆夾頭不進(jìn)行考慮，不會(huì)影響超聲振動(dòng)鉆削的加工性質(zhì)，如圖3所示。ABAQUS作為一款有限元分析軟件，在非線性分析方面功能強(qiáng)大，分析過程可以分為以下幾個(gè)階段：建模階段，計(jì)算階段，后處理階段。建模階段是輸入計(jì)算模型，計(jì)算模型形狀和尺寸數(shù)據(jù)要符合實(shí)際情況。建模的中心任務(wù)是結(jié)構(gòu)離散，即劃分網(wǎng)格。計(jì)算階段的任務(wù)是完成有關(guān)方法的數(shù)值計(jì)算，計(jì)算量十分龐大，運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制和分析可以更好的實(shí)現(xiàn)。后處理階段任務(wù)是對(duì)計(jì)算輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，并按一定方式顯示出來，以便對(duì)結(jié)構(gòu)性能的好壞或設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，并作為相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化。

建立超聲振動(dòng)鉆削裝置有限元模型，輸入到軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，在ABAQUS的Visualization功能模塊顯示分析的結(jié)果，可以顯示未變形和變形時(shí)的網(wǎng)格模型，鉆削系統(tǒng)的不同階數(shù)頻率對(duì)應(yīng)著各自所產(chǎn)生的振型，展示的振型以云紋圖的形式表示，輸出的模態(tài)振型，如圖4所示。變幅桿的振動(dòng)效果用不同的顏色描述，振動(dòng)不明顯的部分為藍(lán)色，振動(dòng)明顯的部分為紅色，振動(dòng)方式通過云紋圖的顯示更加清晰，振動(dòng)效果通過動(dòng)態(tài)模擬分析也更加明顯。通過模態(tài)分析，可以得出變幅桿在不同階數(shù)下的振動(dòng)效果以及對(duì)應(yīng)的頻率，在分析的過程中，一共分析了16階模態(tài)振型以及對(duì)應(yīng)的頻率，由于系統(tǒng)7階之前和12階之后都出現(xiàn)嚴(yán)重失真，對(duì)應(yīng)的頻率也很難實(shí)現(xiàn)，所以主要提取振動(dòng)系統(tǒng)的（7～12）階頻率進(jìn)行分析。

圖3 變幅桿模型Fig.3 Model of Horn

圖4 振動(dòng)系統(tǒng)7～12階模態(tài)振型圖Fig.4 The 7～12 Order Modal Shape of Vibration System

表1 7～12階模態(tài)振型頻率和振動(dòng)方向（ABAQUS）Tab.1 Modal Frequency and Vibration Direction of 7～12（ABAQUS）

變幅桿連接鉆夾頭和鉆頭，只有發(fā)生有規(guī)律的伸縮和規(guī)則的軸向振動(dòng)才能使鉆頭產(chǎn)生穩(wěn)定的軸向振動(dòng)。從表1的結(jié)果數(shù)據(jù)可以看到，模態(tài)分析在第7，8，11，12階模態(tài)為變幅桿的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，9階的模態(tài)分析為橫向振動(dòng)。由結(jié)果可以得出，當(dāng)階數(shù)為10時(shí)，變幅桿振動(dòng)方向?yàn)檩S向振動(dòng)，振型最為平穩(wěn)，對(duì)應(yīng)的頻率為20.015kHz。

3.3 超聲振動(dòng)鉆削系統(tǒng)的整體安裝

在普通機(jī)床CA6140上對(duì)高溫合金材料進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆削加工，超聲波發(fā)生器為BRANSON-2000bdc型功率發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率為20kHz不變的電振蕩信號(hào)穩(wěn)定輸出。選用直徑為6mm的含鈷高速鋼麻花鉆頭，方向?yàn)殂@頭的軸向進(jìn)給方向。設(shè)計(jì)好的軸向超聲振動(dòng)鉆削系統(tǒng)連接組裝后的實(shí)物照片，如圖5所示。

圖5 超聲振動(dòng)鉆削裝置實(shí)物圖Fig.5 Device of Ultrasonic Vibration Drilling

4 超聲振動(dòng)鉆削孔表面質(zhì)量對(duì)比

試驗(yàn)選用的主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，選用的頻率為20 kHz，振幅為15 μm。采用超景深三維顯示系統(tǒng)和三維輪廓儀分別對(duì)所加工孔的粗糙度和表面形貌進(jìn)行觀測(cè)和分析。

4.1 高溫合金孔內(nèi)表面形貌對(duì)比分析

劃痕明顯和加工紋理不規(guī)則是普通鉆削加工孔表面的主要特征，由于鉆頭持續(xù)與工件接觸，容易產(chǎn)生積削瘤，劃傷孔的內(nèi)壁，造成孔表面質(zhì)量下降[6-8]，如圖6（a）所示。軸向超聲振動(dòng)鉆削，變幅桿的高頻振動(dòng)作用于鉆頭的鉆尖，鉆尖和工件間斷性的分離與接觸，鉆削過程中，切削容易斷屑，不易產(chǎn)生積削瘤，加工出的孔表面更加光整，如圖6（b）所示。

圖6 孔內(nèi)表面形貌Fig.6 Surface Morphology of Hole

4.2 高溫合金孔內(nèi)表面粗糙度對(duì)比分析

鉆削后的孔表面采用三維輪廓儀進(jìn)行粗糙度的測(cè)量。儀器可以測(cè)小邊長為0.1mm的正方形區(qū)域，用所測(cè)的正方形區(qū)域的粗糙度代表工件的粗糙度。分別測(cè)量未加超聲振動(dòng)鉆削的孔表面和加上超聲振動(dòng)鉆削的孔表面粗糙度值，在測(cè)量的過程中，多選幾個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，所得的結(jié)果能夠充分反映孔表面質(zhì)量。在普通鉆削加工方式下，孔內(nèi)表面高度不均勻，變化無規(guī)律，經(jīng)過測(cè)量分析，表面粗糙度Sa值為2.08μm，如圖7（a）所示。在超聲振動(dòng)鉆削加工方式下，超聲振動(dòng)鉆削改善加工表面的原理主要是鉆削過程中鉆頭的高頻微小位移振動(dòng)周期性緩解了鉆頭與工件材料之間在切削區(qū)域的相互作用[9-10]，如圖7（b）所示。超聲振動(dòng)鉆削方式為斷續(xù)鉆削，超聲振動(dòng)鉆削加工的孔表面形貌波峰波谷規(guī)律性變化，鉆尖與工件間周期性的接觸和分離使得表面形貌中波峰不再連續(xù)。在超聲振動(dòng)鉆削加工過程中，已加工表面受到往復(fù)熨壓的作用，無明顯凸起或者凹入，進(jìn)一步提高表面加工質(zhì)量。同樣經(jīng)過測(cè)量分析，超聲振動(dòng)鉆削加工的表面粗糙度Sa值為1.79μm，相對(duì)于普通鉆削孔內(nèi)表面粗糙度降低。

圖7 孔內(nèi)表面微觀形貌Fig.7 Micro Morphology of the Surface of Hole

5 結(jié)論

（1）所設(shè)計(jì)的變幅桿為軸向超聲振動(dòng)，工作頻率為20.015kHz時(shí)振型最好，能實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)鉆削系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并可取得好的加工效果。（2）超聲振動(dòng)鉆削加工可以改善高溫合金孔的表面形貌，使孔表面更加光整。（3）與普通鉆削相比，在主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，頻率為20 kHz，振幅為15μm時(shí)，超聲振動(dòng)鉆削高溫合金孔表面粗糙度降低了近13.9%，表面質(zhì)量明顯提高。

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