鈦合金腹板高速超聲橢圓振動(dòng)銑削力研究

張明亮，張德遠(yuǎn)，高 澤，楊文遠(yuǎn)，耿大喜

（ 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. 北京航空航天大學(xué)沈元榮譽(yù)學(xué)院，北京100191；3. 北京生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京100191 ）

鈦合金在先進(jìn)軍用戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)設(shè)計(jì)中的用量通常在20%以上，第3 代戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金用量已增長至27%，第4 代戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金用量更是超過41%[1]。 鈦合金的優(yōu)良特性使其得到廣泛應(yīng)用，成為了航空工業(yè)最重要的工程材料之一[2-3]，但其導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小，也會為生產(chǎn)制造帶來困擾。 導(dǎo)熱系數(shù)低引起了加工過程中溫度偏高的問題，加劇刀具磨損， 影響使用壽命， 也損害了表面質(zhì)量；同樣，彈性模量小使刀具后刀面與待加工表面之間的摩擦面積增大，導(dǎo)致切削抗力增大引入形變，使加工出的零件存在誤差，表面質(zhì)量變差。 因此，對于鈦合金來說，針對溫度、切削力等問題的研究仍需繼續(xù)深入，引入新技術(shù)解決現(xiàn)有問題，進(jìn)一步推動(dòng)鈦合金的發(fā)展應(yīng)用。

超聲加工技術(shù)是將高頻振動(dòng)附加到刀具上進(jìn)行的加工技術(shù)，在工程上已有許多成功的應(yīng)用[4]。 超聲加工已被引入到車削、銑削、磨削、鉆削及特種加工等工藝中，對加工效果有明顯改善。 超聲振動(dòng)模式有軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)三種基本形式及其復(fù)合形式，目前以軸向振動(dòng)與雙向彎曲振動(dòng)的研究應(yīng)用最為廣泛。

超聲振動(dòng)將原有的連續(xù)切削過程分成多段脈沖式切削，原本一個(gè)周期連續(xù)切削變成了不斷的切入切出，其中空切部分對受力影響顯著，同時(shí)不斷變化的運(yùn)動(dòng)方向使金屬塑性變形減小，接近脆性狀態(tài)，摩擦系數(shù)變小，從而減小切削力[5-6]。 切削力作為一個(gè)重要參數(shù)，被廣泛而深入地研究。 Zhang[7]針對脆性材料的超聲振動(dòng)軌跡建立模型，利用公式計(jì)算切削力的大小并加以驗(yàn)證，結(jié)果顯示公式計(jì)算結(jié)果預(yù)測較為準(zhǔn)確。 此外，通過改變工藝參數(shù)觀察切削力變化，證明了隨著切削深度、切削速度、進(jìn)給量的增大，切削力也逐漸變大。Abootorabi[8]研究了在振幅一定的條件下改變切削速度和在切削速度一定的條件下改變超聲振幅時(shí)的銑削力，結(jié)果顯示，超聲振動(dòng)在各種條件下測得的力都要優(yōu)于普通銑削，然而銑削速度和振幅變化下力的相應(yīng)變化卻不是線性的，最優(yōu)速度和最優(yōu)振幅仍需通過試驗(yàn)得出。

機(jī)械加工得到的工件表面質(zhì)量中的精度是指工件加工后得到的尺寸與形狀表面間位置關(guān)系等參數(shù)的理想值與實(shí)際值之間的差別，其中表面粗糙度是衡量加工表面好壞的重要參數(shù)，它對零件的耐磨性、抗腐蝕性、配合穩(wěn)定性、壽命等都有關(guān)鍵影響。 在殼體件、平板件等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，當(dāng)零件壁厚與內(nèi)徑曲率半徑或輪廓尺寸之比小于1∶20 時(shí)，可稱之為薄壁零件。 腹板作為一種常見的薄壁結(jié)構(gòu)，自身剛度低，加工過程中受力易產(chǎn)生變形，加工余量大，表面精度較差。 薄壁加工的穩(wěn)定性與加工變形都會嚴(yán)重影響零件的性能指標(biāo)，進(jìn)而影響其正常使用。

本文使用高速超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝加工鈦合金腹板，并將其與普通銑削工藝進(jìn)行對比，觀察兩種工藝在切削力上的差別。

1 鈦合金腹板銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究高速超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝在鈦合金腹板加工中的效果，設(shè)計(jì)了超聲加工試驗(yàn)系統(tǒng)（圖1），主要由加工中心、工件、超聲振動(dòng)系統(tǒng)和測量系統(tǒng)四部分組成。 采用BV100 立式加工中心，工件為工字型Ti6Al4V 鈦合金腹板零件，尺寸為100 mm×42 mm×3 mm。 測試時(shí)，測力儀固定于加工中心工作臺，工件固定在測力儀上方，試驗(yàn)過程中采集到的數(shù)據(jù)即為銑削加工過程中的切削力，試驗(yàn)中只采集X、Y、Z三個(gè)方向上的力的數(shù)據(jù)。 超聲振動(dòng)系統(tǒng)由超聲電源、供電裝置、非標(biāo)BT50 刀柄與銑削換能器組成，超聲電源產(chǎn)生頻率為17 880 Hz 的電流，經(jīng)感應(yīng)供電裝置傳輸， 使換能器產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲頻振動(dòng)，換能器變幅桿末端為直徑12 mm 的標(biāo)準(zhǔn)四刃硬質(zhì)合金銑刀，具體參數(shù)見表1，刀具表面涂層為加工鈦合金常用的TiAlN 涂層。 刀具在電流激勵(lì)下于尖端產(chǎn)生穩(wěn)定的X、Y方向振幅均為11 μm 橢圓振動(dòng)。

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案為：銑刀加工位置為腹板正中心，從走刀一端至另外一端，為避免加工過程中其他因素干擾試驗(yàn)，相同參數(shù)的超聲加工與普通加工在一次走刀中完成，通過控制超聲電源開關(guān)轉(zhuǎn)換超聲、普通加工模式，試驗(yàn)中先進(jìn)行超聲加工，再進(jìn)行普通加工。

表1 銑刀參數(shù)表

本試驗(yàn)為突出高速超聲銑削工藝在效率上的優(yōu)勢，選取了80～160 m/min 的銑削速度，每齒進(jìn)給量根據(jù)刀尖振動(dòng)幅值變化，分別取0.01、0.015、0.02 mm 三個(gè)值，銑削徑向切寬取固定值6 mm，軸向切深取固定值0.2 mm。其中，切削速度v=nπD（D為試驗(yàn)用銑刀直徑；n為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速）， 即切削速度與主軸轉(zhuǎn)速成正比。

試驗(yàn)切削力通過Kistler9254 測力儀進(jìn)行測量，設(shè)定測力儀采樣頻率為50 000 Hz， 測力儀可測量力的精度為0.01 N，范圍為±20 kN。

2 結(jié)果與討論

2.1 三個(gè)方向上的切削力

試驗(yàn)過程中主要關(guān)注X、Y、Z三個(gè)方向的切削力，設(shè)定參數(shù)切深0.2 mm、切削速度120 m/min、每齒進(jìn)給量0.02 mm， 試驗(yàn)過程中測力儀讀取到的一組數(shù)據(jù)見圖2。

從圖2 可看出， 試驗(yàn)過程中先進(jìn)行超聲銑削，中途轉(zhuǎn)換為普通銑削，整個(gè)切削過程大致分為四個(gè)階段：

（1）切入階段，銑刀與工件表面從分離變?yōu)橹饾u接觸， 這個(gè)過程中切削力也從零開始逐漸增大，直到銑刀與工件表面充分接觸為止，加工開始進(jìn)行下一過程。

（2）超聲切削穩(wěn)定階段，刀具與工件接觸程度不再發(fā)生變化，切削力也相對穩(wěn)定，當(dāng)加工過程完成一半時(shí)，手動(dòng)關(guān)閉電源，加工進(jìn)入下一過程。

（3）普通切削穩(wěn)定階段，這一階段切削力大小也較穩(wěn)定，不過與前一階段相比，切削力明顯增加。

（4）切出階段，與第一階段類似，刀具與工件逐漸產(chǎn)生分離，切削力在此過程中逐漸下降，最終降為零。

在圖2 所示X、Y兩個(gè)方向的切削力顯示為負(fù)值，實(shí)則在加工過程中的切削力方向與測力儀默認(rèn)切削力方向相反，故只需關(guān)注切削力值的絕對值即可。 實(shí)際加工時(shí)，對工件影響較大的是穩(wěn)定切削階段的受力情況，所以試驗(yàn)中使用軟件讀取穩(wěn)定切削階段的平均值，作為加工過程中所受切削力的值。

2.2 切削速度對切削力的影響

切削速度是有效提升零件加工效率的關(guān)鍵因素，因此先觀察在每齒進(jìn)給量0.02 mm 時(shí)的不同切削速度變化下，X、Y、Z三個(gè)方向的切削力在不同工藝下的對比與變化情況。 從圖3 可看出，在相同切削速度下，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝在X、Y、Z三個(gè)方向產(chǎn)生的切削力較普通銑削加工更低，且隨著切削速度的增大， 超聲銑削與普通銑削過程在X、Y、Z三個(gè)方向的力也均呈現(xiàn)增加的趨勢。其中，X方向?yàn)榈毒哌M(jìn)給方向， 普通銑削力在40～70 N 之間，超聲銑削力在30～60 N 之間；Y方向與X方向垂直且與工件表平面平行，故切削力較小，普通銑削力在15～30 N 之間，超聲銑削力在10～20 N 之間；Z方向與X、Y方向垂直，這個(gè)方向的力是腹板件銑削過程中最大的切削力，普通銑削力在80～150 N 之間，超聲銑削力在60～120 N 之間。

圖4 是每齒進(jìn)給量為0.02 mm 時(shí)，X、Y、Z三個(gè)方向的切削力下降比率隨切削速度的變化情況。 其中，Z方向的力垂直于工件表面，對工件形變影響較大，在這個(gè)方向上，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝降低切削力效果明顯且穩(wěn)定，數(shù)值均在20%左右；X、Y兩個(gè)方向的切削力下降值變化相對較大，且隨速度增加無明顯變化規(guī)律，但數(shù)值也較穩(wěn)定。

2.3 每齒進(jìn)給量對切削力的影響

圖5 是在切削速度120 m/s 時(shí)，X、Y、Z三個(gè)方向上的切削力隨每齒進(jìn)給量的變化情況。 可看出，相比于普通銑削加工，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝在不同每齒進(jìn)給量下產(chǎn)生的切削力都較低； 同時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量的增大，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削與普通銑削過程在X、Y、Z三個(gè)方向的力也都整體呈現(xiàn)變大的趨勢。 其中，X方向的普通銑削力在48～57 N 之間， 超聲銑削力在39～44 N 之間；Y方向切削力依舊較小，普通銑削力在19～24 N 之間，超聲銑削力在14～20 N 之間；Z方向的力仍是該加工過程中最大的切削力， 普通銑削力在100～110 N 之間，超聲銑削力在78～87 N 之間。 在實(shí)際加工中，通常會通過改變每齒進(jìn)給量來改變總進(jìn)給量，以調(diào)整加工的整體效率。

圖6 是切削速度固定為120 m/s 時(shí)，X、Y、Z三個(gè)方向的切削力隨每齒進(jìn)給量變化時(shí)的下降比率。其中，Z方向的力垂直于工件表面，對工件形變影響較大，在該方向上，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝降低切削力的效果較明顯且穩(wěn)定， 數(shù)值在20%左右；而X、Y兩個(gè)方向的切削力下降值相對有一定的波動(dòng)， 但數(shù)值也在20%左右， 三組數(shù)據(jù)均值略低于20%。

3 結(jié)束語

針對航空航天常用的鈦合金機(jī)械加工特性差的問題，將高速超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝引入航空常見薄壁零件結(jié)構(gòu)——腹板的加工中，設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證該工藝在鈦合金腹板加工中對切削力的影響。 相比于普通銑削，高速超聲橢圓振動(dòng)加工過程中工件所受到的切削力更小，降幅約20%。 雖然超聲加工與普通加工過程的切削力隨每齒進(jìn)給量及切削速度增加而增大，但在降低率方面相對穩(wěn)定，在參數(shù)變動(dòng)時(shí)存在一定波動(dòng)，總體在20%左右。