超聲橢圓振動(dòng)與微量潤(rùn)滑耦合切削Inconel718 的性能研究

杭 華, 林靖朋

(1 柏宜照明(上海)股份有限公司, 上海201712； 2 上海工程技術(shù)大學(xué), 上海201620)

0 引 言

鎳基高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕、抗熱震等性能,廣泛應(yīng)用于航空航天、能源化工、燃?xì)廨啓C(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域［1］。 鎳基合金在金屬加工中屬于難加工材料。Inconel718 常規(guī)車(chē)削工藝存在的主要問(wèn)題是切削力大、切削溫度高,會(huì)加劇刀具的磨損,從而降低了加工質(zhì)量［2］。

超聲橢圓振動(dòng)車(chē)削Inconel718 可以降低切削力和溫度,提高工件表面質(zhì)量,延長(zhǎng)刀具和工件的使用壽命［3］。 超聲振動(dòng)車(chē)削(UEV)是在普通車(chē)削加工的基礎(chǔ)上,在一個(gè)方向或多個(gè)方向上,施加頻率超過(guò)20 kHz 的周期振動(dòng)加工技術(shù)。

綠色制造和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為機(jī)械制造行業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。 如何在確保加工的質(zhì)量的同時(shí)減少切削液的危害,已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)械制造行業(yè)所面臨解決的一大難題［4］。 目前,在金屬切削領(lǐng)域有許多冷卻和潤(rùn)滑方法,如液氮冷卻、低溫冷卻、空氣冷卻、噴霧冷卻和微量潤(rùn)滑(MQL)［5］。 微量潤(rùn)滑加工是指在金屬加工過(guò)程中使用非常少量的切削液,一般為100 mL／h 或者更少,其用量約為傳統(tǒng)濕切削的萬(wàn)分之一［6］微量潤(rùn)滑可以大幅降低切削液的用量,在很大程度上降低了對(duì)環(huán)境的危害。

本文研究了在微量潤(rùn)滑和超聲橢圓振動(dòng)耦合條件下車(chē)削Inconel718 的性能優(yōu)化。

1 超聲橢圓振動(dòng)切削模型

超聲橢圓振動(dòng)切削中的刀尖軌跡如圖1 所示。在這個(gè)過(guò)程中, 刀具在X、Y 方向上被施加超聲振動(dòng),進(jìn)而運(yùn)動(dòng)合成為超聲橢圓振動(dòng)。 刀具振動(dòng)的軌跡可以表示為

式中,A、B 分別是X、Y 兩個(gè)方向的振幅；fx、fy是兩個(gè)方向的振動(dòng)頻率；t 是時(shí)間；Tx、Ty是兩個(gè)方向的初始角度。

刀尖相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)速度可以表示為

當(dāng)?shù)毒咴谇邢鞣较蛏系淖畲笳駝?dòng)速度大于進(jìn)給速度(v′x＞0) 時(shí),刀具會(huì)與切屑和工件分離,從而降低了切削溫度和切削力。

圖1 超聲橢圓振動(dòng)切削原理圖Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic elliptical vibration cutting

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)如圖 2 所示, 工件材料選擇Inconel718,刀具選擇前角11°和后角10°的CBN 刀具。 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為切削速度(25 m／min)、進(jìn)給速度(0.005 mm／r)、背吃刀量(0.005 mm)。 刀具的振動(dòng)頻率為40 kHz。 振幅在X 方向上為7 μm,在Y 方向上為7.5 μm。 MQL 的冷卻劑量為50 mL／h。 實(shí)驗(yàn)為多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)Fig. 2 Simulation experiment

3 結(jié)果與討論

3.1 切削溫度

當(dāng)開(kāi)始金屬切削時(shí),車(chē)削狀態(tài)的不穩(wěn)定,振動(dòng)的能量反而會(huì)使得加工區(qū)域的溫度上升。 在車(chē)削狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí),切削溫度為T(mén)UEC＞TCT＞TUEC＋MQL,其中UEC 表示超聲橢圓振動(dòng)切削,CT 表示常規(guī)切削,UEC＋MQL 表示超聲橢圓振動(dòng)和微量潤(rùn)滑耦合切削。

當(dāng)切削狀態(tài)穩(wěn)定時(shí),3 種加工條件下的溫度對(duì)比如圖3 所示,為一個(gè)振動(dòng)周期的溫度變化。 振動(dòng)切削的溫度呈周期性變化。 與常規(guī)切削相比,其他兩種加工方法的溫度優(yōu)化效果很明顯,超聲橢圓振動(dòng)切削時(shí)的溫度降低約10.8%,超聲橢圓振動(dòng)和微量潤(rùn)滑耦合切削時(shí)的溫度降低約15.7%。

圖3 三種加工條件的溫度對(duì)比Fig. 3 Temperature comparison of three processing conditions

3.2 切削力對(duì)比

在切削達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,切削力的變化如圖4 所示。圖4(b)、4(c)表明,由于刀具的振動(dòng),切削力會(huì)呈現(xiàn)周期性變化。

圖4 3 種加工條件的切削力對(duì)比Fig. 4 Comparison of cutting forces of three processing conditions

當(dāng)?shù)毒咴谇邢鞣较蛏系淖畲笳駝?dòng)速度大于刀具進(jìn)給速度時(shí),刀具與切屑和工件分離,使得切削力迅速下降。 由于振動(dòng),主切削力和推力先減小后增大。當(dāng)振動(dòng)頻率從0 增加到40 kHz,切削速度穩(wěn)定在25 m／min 時(shí),與常規(guī)切削相比較,超聲橢圓振動(dòng)切削的主切削力會(huì)降低61.5%、推力會(huì)降低73.9%；超聲橢圓振動(dòng)和微量潤(rùn)滑耦合切削的主切削力降低67.6%、推力會(huì)降低79.4%。

3.3 切削應(yīng)力

3 種加工條件下的應(yīng)力分布如圖5 所示,5(a)、5(b)為常規(guī)切削,5(c)、5(d)為超聲橢圓振動(dòng)切削,5(e)、5(f)為超聲橢圓振動(dòng)和微量潤(rùn)滑耦合切。 其中,圖5(a)、5(b)為常規(guī)切削過(guò)程,切屑形狀變化劇烈且連續(xù)不斷,局部應(yīng)力增大且無(wú)法釋放,導(dǎo)致在刀尖及剪切面附近應(yīng)力集中嚴(yán)重。 在超聲橢圓振動(dòng)切削加工中,當(dāng)?shù)毒吲c切屑和工件分離時(shí),應(yīng)力分布明顯減小,在與微量潤(rùn)滑耦合后,應(yīng)力分布范圍更?。划?dāng)?shù)毒唛_(kāi)始切削工件時(shí),刀具上的應(yīng)力主要集中在前刀面和后刀面,刀尖處的應(yīng)力相對(duì)較小。 這種現(xiàn)象有利于減少刀尖的破損,增加刀具的使用壽命。

圖5 應(yīng)力分布Fig. 5 Stress distribution

4 結(jié)束語(yǔ)

在切削Inconel718 時(shí),與常規(guī)切削相比,超聲橢圓振動(dòng)切削和超聲橢圓振動(dòng)微量潤(rùn)滑耦合切削會(huì)較好的優(yōu)化切削性能,提高加工質(zhì)量。 在切削溫度方面,超聲橢圓振動(dòng)切削時(shí)的溫度降低約10.8%,超聲橢圓振動(dòng)和微量潤(rùn)滑耦合切削時(shí)的溫度降低約15.7%；在切削力方面,超聲橢圓振動(dòng)切削的主切削力會(huì)降低61.5%、推力會(huì)降低73.9%；超聲橢圓振動(dòng)和微量潤(rùn)滑耦合切削的主切削力降低67.6%、推力會(huì)降低79.4%；在切削應(yīng)力分布方面,超聲橢圓振動(dòng)及其與微量潤(rùn)滑耦合切削,會(huì)減少應(yīng)力分布范圍,降低應(yīng)力集中,且會(huì)延長(zhǎng)刀頭的使用壽命。