不同振動方式下的鈦合金超聲振動銑削表面完整性研究

武 民 ， 馬利杰， 王占奎， 蘇建修

(河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

鈦合金具有抗腐蝕性強(qiáng)、比強(qiáng)度高等優(yōu)良的物理力學(xué)性能，是航空航天、石油化工、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的工程材料[1-3]；但因其導(dǎo)熱系數(shù)低、切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重、冷卻潤滑效果差[4]等切削特性，使其成為典型的難加工材料。鈦合金工件的表面完整性對工件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及工件的使用壽命都有著至關(guān)重要的影響。

近年來，對于鈦合金表面完整性的研究日漸增多。楊振朝等[5]研究了高速銑削參數(shù)對TC4鈦合金表面完整性的影響規(guī)律，結(jié)果表明：主軸轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，軸向切深為0.15 mm時獲得的表面完整性最佳。譚靚等[6]對刀具幾何參數(shù)對鈦合金表面完整性的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：刀具的螺旋角對表面粗糙度的影響顯著，而刀具后角對表面殘余應(yīng)力影響顯著。Shi等[7]對不同刀具磨損狀態(tài)下銑削TC4鈦合金的表面完整性進(jìn)行了研究，并得出結(jié)論：高速銑削時可獲得良好的表面完整性；刀具磨損嚴(yán)重時沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象。Fang等[8]探討了刀具刃口半徑對Ti6Al4V表面完整性的影響，并從三個不同角度探討了刀具刃口半徑與表面粗糙度的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，刀具刃口半徑對TC4鈦合金的加工表面完整性影響顯著。

超聲振動銑削是振動切削技術(shù)的一個分支，其在改善切削系統(tǒng)穩(wěn)定性[9-10]、降低切削力[11-12]、延長刀具壽命[13-14]等方面有著獨特的優(yōu)勢。在超聲振動銑削鈦合金表面完整性研究方面，有些學(xué)者也取得了具有積極意義的研究成果。劉佳佳等[15-16]對刀具施加了橢圓振動，研究了高速橢圓振動銑削中振幅對鈦合金表面完整性的影響。試驗結(jié)果表明：高速橢圓超聲振動銑削中，振幅對表面完整性的影響顯著；表面粗糙度、殘余應(yīng)力、加工硬化程度以及銑削的變形層厚度都隨振幅的增大而增大。張習(xí)芳等[17]對鈦合金進(jìn)行了超聲振動銑削試驗，研究了超聲電流和銑削參數(shù)對表面完整性的影響。喻宏慶等[18]研究了工藝參數(shù)對徑向超聲振動銑削鈦合金表面粗糙度的影響規(guī)律，研究表明：超聲振動銑削有助于改善加工表面質(zhì)量，低速切削的改善效果優(yōu)于高速切削。馬超等[19]研究了超聲振動銑削鈦合金的表面形貌及摩擦磨損的優(yōu)勢，研究表明超聲振動銑削得到的工件表面具有一定規(guī)律的微織構(gòu)對表面抗磨減阻具有一定的作用。

綜上分析，當(dāng)前鈦合金銑削的表面完整性研究中，關(guān)于表面粗糙度、表面形貌等加工表面幾何特征的研究偏多，而關(guān)于顯微硬度、殘余應(yīng)力等表面力學(xué)性能的研究偏少。另外，超聲振動銑削是一項復(fù)雜的技術(shù)，不同振動方向和振動參數(shù)下的表面完整性有著很大的差異，而當(dāng)前的研究大多是對單一振動方向的分析，關(guān)于不同振動方向下表面完整性的對比分析尚未見到。

因此本研究以TC4鈦合金為工件材料，通過給工件施加切向(與進(jìn)給方向一致)、法向(垂直于加工表面)和軸向(與刀具軸線方向一致)超聲振動，對三種振動方向及不同切削參數(shù)下的加工表面完整性進(jìn)行了對比分析。本研究對于深入揭示超聲振動銑削的加工特性及其內(nèi)在影響機(jī)制，促進(jìn)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用具有重要的實踐和應(yīng)用價值。

1 超聲振動銑削的試驗條件及實現(xiàn)方式

1.1 試驗條件

表1為試驗選用的設(shè)備、工件材料及加工方式。因超聲振動系統(tǒng)發(fā)生激振的條件要求苛刻，所以對工件的尺寸有著嚴(yán)格的要求，且工件與變幅桿的接觸面需進(jìn)行磨削使其足夠光滑以保證能量能夠高效地傳遞給工件。

表1 試驗條件Tab.1 Experimental condition

1.2 超聲振動銑削實現(xiàn)方式

由于當(dāng)前大多數(shù)超聲振動系統(tǒng)都是基于超聲諧振原理制作的，振動頻率通常是不可調(diào)整的，因此本文主要分析振動方式和切削參數(shù)的變化對表面完整性的影響規(guī)律。試驗中超聲振動系統(tǒng)驅(qū)動工件以20 kHz的頻率沿X方向振動，圖1中，銑刀沿X方向進(jìn)刀時可以實現(xiàn)切向振動銑削；銑刀沿Y方向進(jìn)刀時可以實現(xiàn)法向振動銑削。圖2中銑刀沿著Y方向或者Z方向進(jìn)刀時則可實現(xiàn)軸向振動銑削。

圖1 超聲切向、法向振動銑削實現(xiàn)方式Fig.1 The realization mode of ultrasonic tangential and normal vibration

圖2 超聲軸向振動銑削實現(xiàn)方式Fig.2 The realization mode of ultrasonic axial vibration

考慮到工件的懸臂梁結(jié)構(gòu)，為了提高工件裝夾剛性，本研究通過在裝置設(shè)計階段增大變幅桿直徑(Φ32 mm)、試驗設(shè)計階段控制材料去除率兩個措施來避免切削顫振現(xiàn)象的發(fā)生。此外，通過選用高精度、高剛度角度刀柄，來減小刀柄差異對試驗結(jié)果的影響。

2 超聲振動銑削運動學(xué)特性分析

切削加工時，切削運動是形成所需表面的必要條件之一。運動方式不同，零件余量的去除順序和方式也就不同，從而加工表面的微觀特征也就不同，因此運動方式和切削參數(shù)是影響加工表面理論幾何形貌的重要因素。與此同時，切削運動的差異必然帶來加工系統(tǒng)動力學(xué)特征的變化，最終帶來加工表面的實際幾何形貌和力學(xué)性能的變化。因此，開展超聲振動銑削的運動學(xué)分析，剖析不同振動方式下的運動學(xué)特性，對于深入揭示表面完整性變化的內(nèi)在規(guī)律具有重要的作用。

2.1 超聲振動切削的運動學(xué)參數(shù)

當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置振動，任一瞬時振動的速度就是該時刻的質(zhì)點速度。當(dāng)一列平面聲波在均勻介質(zhì)中沿x方向傳播，其波動方程為

(1)

式中：S為介質(zhì)的質(zhì)點位移；c為聲速；t為時間。式(1)的特解為

S=Asin(ωt-ψ)

(2)

式中：A為介質(zhì)質(zhì)點的位移振幅；ω=2πf為角頻率；f為聲波的頻率；Ψ為初相位角。

將式(2)對時間t微分可得到質(zhì)點速度

(3)

式中，ωA為介質(zhì)質(zhì)點的振幅。將式(3)對t微分，可求得質(zhì)點的振動加速度為

(4)

式中，ω2A為質(zhì)點加速度的幅值的絕對值，即質(zhì)點的振動加速度的增加與頻率的平方成正比。當(dāng)超聲波的振動頻率為f=20 kHz，質(zhì)點振動的位移為5.4 μm時，則質(zhì)點的加速度的最大值可達(dá)

a=ω2A= 8.53×104m/s2

該值約是地球重力加速度的104倍，超聲振動切削時，如此巨大的加速度和能量作用于微小的切削區(qū)，必然會產(chǎn)生遠(yuǎn)大于其它因素的影響，帶來工件表面完整性的巨大變化。

2.2 切向振動運動軌跡

切向超聲振動銑削時，刀具進(jìn)給方向與振動方向一致，當(dāng)給工件施加超聲切向振動時，刀齒刀尖相對于工件的運動軌跡方程為

(5)

式中：vf表示進(jìn)給速度，A為振幅；f為聲波的頻率；Ψ為振動信號初相位角；r為刀具半徑；ω為刀具旋轉(zhuǎn)的角頻率；n為銑刀刀齒數(shù)(n為1，2，3，4)；φ為齒間角。

超聲振動加工是通過控制相鄰兩齒之間的運動軌跡的位置關(guān)系來形成分離效果的，即相鄰兩齒之間的運動軌跡相互交錯疊加，當(dāng)A>fz/2，且頻轉(zhuǎn)比不為整數(shù)時，會出現(xiàn)相鄰兩刀齒運動軌跡的疊加。將式(5)導(dǎo)入MATLAB軟件中，編程仿真得到相鄰兩刀齒的運動軌跡，如圖3所示。

圖3 切向振動銑削刀尖運動軌跡Fig.3 The movement path of cutter tip in tangential milling vibration

實線的刀尖軌跡1與虛線的刀尖軌跡2呈現(xiàn)出周期性、穩(wěn)定地相互疊加的運動規(guī)律，相鄰兩刀尖有周期性的交點，刀具與工件的周期性分離，實現(xiàn)了脈沖式切削，這是振動銑削的典型特征。同時，由于振動的作用，刀齒產(chǎn)生了回復(fù)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了重復(fù)切削，重復(fù)切削時切削層更薄，同時伴隨有瞬時加速的現(xiàn)象，從而形成刀尖附近瞬時能量和應(yīng)力的集中，更容易使加工表面發(fā)生形變。

2.3 法向振動運動軌跡

法向超聲振動銑削時，工件的振動方向垂直于加工表面，進(jìn)行法向振動銑削時，刀尖相對于工件的運動軌跡方程為

(6)

仿真后得到三個周期的運動軌跡如圖4所示，當(dāng)?shù)洱X軌跡位于b位置時，即剛剛開始進(jìn)入切削區(qū)，相鄰兩刀尖的運動軌跡并沒有產(chǎn)生周期性相交的現(xiàn)象。而當(dāng)?shù)洱X軌跡位于a位置時，即刀齒軌跡與已加工表面切點位置附近，相鄰兩刀尖運動軌跡開始相交。法向振動銑削的刀齒回復(fù)方向垂直于已加工表面，在已加工表面與刀齒軌跡切點附近并沒有產(chǎn)生重復(fù)切削的現(xiàn)象，而是直接沖擊工件表面；銑削過程中產(chǎn)生分離的軌跡范圍小，分離的規(guī)律性不及切向振動銑削，因此法向振動銑削對表面質(zhì)量、刀具的壽命等會有不利的影響。

圖4 法向振動銑削運動學(xué)軌跡Fig.4 The movement path of cutter tip in normal milling vibration

2.4 軸向振動運動軌跡

軸向振動銑削刀尖相對于工件的運動軌跡方程為

(7)

其刀尖運動軌跡如圖5所示，刀具在軸線方向上的振動改變了刀尖運動軌跡，在xoy平面內(nèi)進(jìn)行進(jìn)給運動，同時在z軸方向上進(jìn)行上下振動，振動的同時刀齒在切削過程中相對于工件多了z軸方向上的速度分量，由式(3)可知，振動的最大速度為ωA，當(dāng)振幅為5.4 μm時此速度分量可達(dá)0.68 m/s，相當(dāng)于增加了切削速度。由運動仿真的刀尖軌跡可知軸向振動更容易在工件表面留下波浪狀的刀紋，促使工件表面在振動方向上的發(fā)生形變。

圖5 軸向振動銑削運動學(xué)軌跡Fig.5 The movement path of cutter tip in axial milling vibration

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗參數(shù)及工件測試方法

本試驗采用單因素試驗法，通過改變振動方向和切削參數(shù)來研究超聲振動銑削的表面完整性。試驗參數(shù)如表2所示，其中軸向切深4 mm，側(cè)向切深0.4 mm，振動頻率20 kHz。

表2 試驗參數(shù)表Tab.2 Experimental parameter list

試驗結(jié)束后，采用Quanta 200型掃描電子顯微鏡獲得已加工表面的SEM圖像，如圖6所示。利用Buker GTK-16-0030型白光干涉儀檢測表面粗糙度，檢測范圍為已加工表面100 μm×70 μm大小的面域。通過VMH-002V型顯微硬度計對硬度進(jìn)行檢測，選取已加工表面的5個不同位置進(jìn)行檢測，檢測完成后分別去掉一個最大值與最小值，取中間三值的平均數(shù)做為檢測的最終數(shù)據(jù)。殘余應(yīng)力通過X-350A型X射線應(yīng)力測定儀檢測，檢測方向為不同工況加工表面的進(jìn)給方向。

3.2 表面幾何特征

3.2.1 表面形貌分析

圖6為不同振動方向下超聲振動銑削的工件表面形貌。

圖6 工件表面形貌Fig.6 The surface topography of workpiece

施加超聲振動后，不同振動方向銑削后的表面形貌各有特點，切向振動銑削工件表面形貌存在振動沖擊帶來的刀紋，但刀紋與法向振動相比較淺，其紋理均勻而規(guī)則，且隨著振幅的增加刀紋越發(fā)明顯。法向振動銑削后的表面微觀形貌發(fā)生的形變更大，這主要是由于刀具直接沖擊工件表面的原因，刀具在與工件表面分離時，會粘連帶走一部分材料，因此工件表面的不規(guī)則形邊也更多；同時，隨著振幅的增加，刀具對工件表面的沖擊也更劇烈，表面也更加粗糙。軸向振動銑削時，刀具相對于工件的振動方向與加工表面平行，與刀具軸線方向一致，因此在工件表面留下了波浪狀的微織構(gòu)，形狀規(guī)則且均勻，振幅越大，波浪狀微織構(gòu)的幅值也越大。從工件表面的微觀形貌上可以看出，法向振動銑削對表面的擠壓作用最強(qiáng)。

3.2.2 表面粗糙度

表面粗糙度是衡量切削加工性能的一項重要指標(biāo)，其對工件的配合穩(wěn)定性、耐磨性、疲勞性等使用性能都有著重要的影響。圖7為切削參數(shù)對表面粗糙度影響的折線圖。

圖7 切削參數(shù)對表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of cutting parameter on surface roughness

圖7中，表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量增加的變化并不十分顯著，但都有一些共同的規(guī)律，法向振動銑削的表面粗糙度整體大于切向振動與軸向振動，這是因為法向振動直接沖擊工件表面，沖擊切削過程中會粘連去除部分工件材料，因此表面會更粗糙；切向振動存在重復(fù)切削現(xiàn)象，因此其表面粗糙度小于法向振動，但當(dāng)重復(fù)切削的切削層厚度小于切削刃圓角半徑時，會因刀具擠壓材料而產(chǎn)生“隆起”，這些“隆起”增加了表面粗糙度，因此切向振動的表面粗糙度大于軸向振動。法向和切向振動隨著振幅的增加表面粗糙度呈上升趨勢，這是因為振幅增大，法向振動銑削時刀具對表面的沖擊作用增強(qiáng)，表面粗糙度增大；而切向振動銑削時，刀具對材料的擠壓增強(qiáng)，“隆起”更加明顯，表面粗糙度增大。而軸向振動隨振幅的增加變化規(guī)律并不明顯，整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。軸向振動不直接沖擊工件表面，振幅增大，刀具與工件的相對切削速度增加，切削過程中的形變小，不易產(chǎn)生鱗刺和積屑瘤，表面粗糙度減小。

3.3 表面力學(xué)性能

顯微硬度和殘余應(yīng)力是衡量加工表面力學(xué)性能的重要指標(biāo)，切削變形的塑性強(qiáng)化效應(yīng)和切削溫度所帶來的熱軟化和組織相變是導(dǎo)致表面力學(xué)性能變化的內(nèi)在原因[20]。由于本試驗采用了澆注潤滑方式，大量的切削液抑制了切削溫度的上升，另外超聲振動所帶來的刀屑分離和超聲霧化作用使切削液更容易進(jìn)入切削區(qū)，且具有更好的冷卻效果。本試驗條件下，切削溫度的熱軟化作用微乎其微，更不可能發(fā)生組織相變，因此表面力學(xué)性能的變化主要來自于切削運動和超聲振動所帶來的運動方式和切削變形的差異。

3.3.1 表面顯微硬度

圖8為切削參數(shù)對顯微硬度的影響折線圖，由圖可知，法向振動銑削表面加工硬化的程度最為嚴(yán)重，切向振動與軸向振動銑削相對較小。切向振動銑削過程中，由于刀齒回復(fù)產(chǎn)生了重復(fù)切削現(xiàn)象，重復(fù)切削時的切削層厚度相對于初次切削更小，刀具對加工表面的擠壓減小。而法向振動銑削在刀齒剛剛進(jìn)入切削區(qū)時，尚未產(chǎn)生刀屑分離，同時在切削過程中不斷在垂直于加工表面的方向上高頻沖擊工件表面，超聲振動的能量直接作用在了工件表面之上。而軸向振動銑削時，超聲振動的能量主要作用在了垂直于刀具軸線的面上，較少部分能量作用在了加工表面上。因此在三種振動方向中法向振動銑削對工件的機(jī)械作用最強(qiáng)，表面顯微硬度最大，切向振動與軸向振動銑削相對較小。

圖8 切削參數(shù)對表面顯微硬度的影響Fig.8 Effect of cutting parameter on surface microhardness

表面顯微硬度隨主軸轉(zhuǎn)速的增加呈上升趨勢，隨每齒進(jìn)給量增加的變化規(guī)律并不顯著。主軸轉(zhuǎn)速增加，切削速度增加，材料的應(yīng)變硬化速率提高，流變抗力增加，刀具中對加工表面的強(qiáng)化效應(yīng)增強(qiáng)，從而引起表面顯微硬度增加。同時，當(dāng)切削速度大于最大振動速度時，較大切削速度帶來的效果起主導(dǎo)作用，因此，切削速度越大三個振動方向銑削后的表面顯微硬度差值越小。

隨著振幅的增加三個振動方向下銑削后的表面顯微硬度并不呈現(xiàn)上升趨勢，整體都呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律，振幅達(dá)到3.5 μm時表面顯微硬度達(dá)到最大值，隨后開始減小。振幅增大，振動速度增大，刀具后刀面與工件的接觸時間減少，使得加工硬化來不及充分形成。

3.3.2 殘余應(yīng)力

圖9為振幅對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，振動銑削得到的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，三個振動方向中法向振動銑削得到工件表面殘余應(yīng)力最大，軸向振動次之，切向振動最小。

圖9 振幅對殘余應(yīng)力的影響Fig.9 Effect of amplitude on residualstress

法向振動銑削時，刀具直接高速沖擊工件表面，因此工件表面的作用力也最強(qiáng)，切削過程中發(fā)生的彈塑性變形也最大，殘余應(yīng)力也相對較大；切向振動銑削時，由于振動方向與已加工表面平行，振動對已加工工件表面的作用小于法向振動，進(jìn)而切削過程中發(fā)生的彈塑性變形相對較小，殘余應(yīng)力也小于法向振動；而軸向振動銑削時，使加工表面垂直于進(jìn)給方向的塑性變形增加，其對表面殘余應(yīng)力的影響介于前兩者之間。

三個振動方向下，振幅為3.5 μm時的殘余應(yīng)力均大于振幅為5.4 μm，大振幅工況下，刀具與工件的相對切削速度較大，引起切削力降低，彈塑性變形減小。切向振動產(chǎn)生了重復(fù)切削，振幅越大重復(fù)切削的效果越明顯，因此切削過程中引起的彈塑性變形相對更小，殘余應(yīng)力也越小。

3.4 普通銑削與超聲振動銑削表面完整性對比

振動參數(shù)的適當(dāng)選擇對于充分發(fā)揮超聲振動銑削的工藝效果有著至關(guān)重要的作用。此外，發(fā)現(xiàn)并利用超聲振動銑削的優(yōu)勢，對于促進(jìn)該技術(shù)的實際應(yīng)用也有著積極的推動作用。由前述試驗可知，當(dāng)振幅為3.5 μm時，各種振動方式下的超聲振動銑削具有較好的工藝效果，能獲得較好的表面粗糙度、較大的顯微硬度和較高的表面殘余壓應(yīng)力。因此，為研究超聲振動銑削的優(yōu)勢，選取振幅為3.5 μm的試驗結(jié)果與普通銑削進(jìn)行對比分析。圖10為普通銑削與振動銑削的表面完整性對比柱狀圖。

圖10 普通銑削與振動銑削的表面完整性對比Fig.10 Comparison of surface integrity between normal milling and vibration milling

由于振動沖擊的作用，振動銑削時刀具在工件表面留下刀痕，因此，振動銑削的表面粗糙度大于普通銑削。在表面力學(xué)性能方面，超聲振動銑削的硬化程度整體大于普通銑削，法向振動的表面殘余壓應(yīng)力大于普通銑削，切向與軸向振動小于普通銑削。因此，法向振動銑削在振幅為3.5 μm時有益于獲得較高的表面殘余壓應(yīng)力。

4 結(jié) 論

(1)切向振動銑削由于產(chǎn)生了刀齒回復(fù)現(xiàn)象形成了重復(fù)切削；法向振動銑削在已加工表面與刀齒運動軌跡的切點位置附近發(fā)生了刀屑分離；軸向振動銑削刀齒相對于工件形成了波浪狀的復(fù)合運動軌跡。

(2)法向振動銑削后的表面形貌變形程度、表面粗糙度大于切向振動和軸向振動；切向振動銑削后表面具有均勻規(guī)則的刀紋；軸向振動銑削后表面呈波浪狀的微織構(gòu)。隨振幅的增大，法向振動銑削和切向振動銑削表面粗糙度呈上升趨勢。

(3)法向振動銑削的表面顯微硬度、殘余壓應(yīng)力大于軸向振動銑削與切向振動銑削；隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，三個振動方向銑削后的表面顯微硬度呈上升趨勢；當(dāng)振幅大于3.5 μm時，顯微硬度隨著振幅的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢；振幅為3.5 μm時的殘余應(yīng)力均大于振幅為5.4 μm時的殘余應(yīng)力。

(4)相較于普通銑削，法向振動銑削能夠獲得更大的表面殘余壓應(yīng)力；當(dāng)振幅為3.5μm時，法向振動銑削在獲得較大殘余壓應(yīng)力方面的優(yōu)勢較為明顯。