超聲橢圓振動(dòng)切削航空鋁合金的數(shù)值研究

董慧婷， 張敏良， 李 瑩， 陳佳鑫， 劉曉峰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

7075鋁合金作為商用強(qiáng)力合金之一，具有良好機(jī)械性能，它在商用飛機(jī)上的使用量已經(jīng)達(dá)到了飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的80%以上，減輕了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，改善了飛行性能并增加了經(jīng)濟(jì)效益。用傳統(tǒng)的車削加工7075-T6鋁合金極易產(chǎn)生變形缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至成為廢品。超聲橢圓振動(dòng)車削技術(shù)作為一種新型特種加工技術(shù)提高了加工效率，改善了工件的加工表面質(zhì)量，減少刀具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命。

超聲橢圓振動(dòng)切削(Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting, UEVC)最早是由日本學(xué)者社本英二和森脇俊道[1]在CIRP國(guó)際會(huì)議上提出來(lái)的。UEVC指的是通過(guò)將超聲波橢圓振動(dòng)附加于切削刀具或加工工件，使刀尖相對(duì)于加工工件按橢圓軌跡進(jìn)行振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高頻間歇性振動(dòng)切削。Jinglin Tong等[2]設(shè)計(jì)了單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了在適當(dāng)?shù)某曊穹偷瓦M(jìn)給速度下，鋁合金能夠獲得最佳的表面形態(tài)。Weihai Huang等[3]研究了UEVC在脆性材料的超精密加工中對(duì)臨界切削深度的影響，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)幅度、切割速度對(duì)臨界切削深度都有一定的影響。Yu He等[4]對(duì)硬質(zhì)材料的超聲橢圓振動(dòng)切削進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)UEVC的平均表面粗糙度Ra小于常規(guī)切削(Conventional Cutting, CC)，且UEVC與CC的切屑形態(tài)各有不同。Wu-Le Zhu等[5]使用新開發(fā)的UEVC系統(tǒng)對(duì)硬質(zhì)合金刀具前刀面進(jìn)行微切槽，發(fā)現(xiàn)與激光加工方法相比，UEVC工藝的效率得到了極大地提高，UEVC的摩擦因數(shù)較小，并且加工表面質(zhì)量得到改善。Chao Kong等[6]研究了UEVC在AISI 1045鋼加工中的性能，發(fā)現(xiàn)頻率和幅度都對(duì)UEVC加工有著顯著的影響。

原路生等[7]研究了UEVC輔助加工鋁合金的表面微織構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的改變，微織構(gòu)凹槽的幾何尺寸、輪廓高度及表面粗糙度Ra均會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化。曹騰等[8]分析了UEVC加工鋁合金時(shí)加工參數(shù)對(duì)微織構(gòu)幾何尺寸的影響，為表面微織構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。張國(guó)華等[9]研究了UEVC加工的表面三維幾何形貌形成規(guī)律及影響因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)切削過(guò)程中相鄰2轉(zhuǎn)之間不同的相位差特征值對(duì)最終表面形貌有著重要的影響。徐文君等[10]分析了鋁合金細(xì)長(zhǎng)軸超聲振動(dòng)輔助車削切削力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)UEVC能夠有效降低切削力，且UEVC下表面粗糙度的均勻一致性優(yōu)于CC。吳得寶等[11]研究了徑向超聲振動(dòng)參數(shù)及切削參數(shù)對(duì)車削6061鋁合金的影響，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)參數(shù)和切削參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度以及表面形貌有顯著的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在超聲橢圓振動(dòng)方面的研究已經(jīng)成熟，但是對(duì)于超聲橢圓振動(dòng)車削7075航空鋁合金方面的研究相對(duì)較少。課題組針對(duì)超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)在7075鋁合金加工過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行仿真分析，研究不同切削方式下切削參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響，以期為實(shí)際生產(chǎn)加工提供參考。

1 超聲橢圓振動(dòng)車削的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

超聲橢圓振動(dòng)加工一般是在刀具的切削方向和切深方向輸入規(guī)律性的頻率和振幅作為激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)合成后刀具在基面內(nèi)形成橢圓形狀的運(yùn)動(dòng)軌跡[12]。如圖1所示，在切削過(guò)程中刀具循環(huán)做橢圓運(yùn)動(dòng)，改變常規(guī)車削的連續(xù)加工方式為斷續(xù)加工，使刀具與工件和切屑周期性的接觸、分離，達(dá)到加工的目的。

圖1 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡Figure 1 Tool trajectory

將超聲橢圓振動(dòng)車削的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡分解為X方向和Y方向的2個(gè)具有相同振動(dòng)頻率的正交簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。刀具在X、Y2個(gè)方向的位移方程分別為：

X(t)=Axsin (2πft+φ);

(1)

Y(t)=Aycos (2πft)。

(2)

式中：Ax是X方向的振幅,μm；Ay是Y方向運(yùn)動(dòng)的振幅,μm；f是超聲橢圓振動(dòng)的頻率,kHz；φ是X方向與Y方向之間的相位差。

圖2 刀具振動(dòng)軌跡坐標(biāo)系Figure 2 Tool vibration path coordinate

在超聲橢圓振動(dòng)車削過(guò)程中，將工件作為參照物，刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡方程分別為：

X(t)=Axsin (2πft)+Vt;

(3)

Y(t)=Aycos (2πft)。

(4)

刀具與工件之間的相對(duì)速度為：

(5)

(6)

式中：V為刀具的切削速度，m/min。

當(dāng)切削速度V小于切削臨界速度Vmax時(shí)，前刀面與切屑發(fā)生周期性的接觸和分離。速比K可以表示為：

(7)

2 超聲橢圓振動(dòng)切削模型

2.1 超聲橢圓振動(dòng)切削力模型

在傳統(tǒng)切削過(guò)程中，刀具所受的力有主切削力、吃刀抗力、前刀面與切屑之間的摩擦力、后刀面與已加工表面的摩擦力，這些分力合成的合力即常規(guī)切削的切削力。超聲橢圓振動(dòng)切削過(guò)程為斷續(xù)切削，因此可分為2個(gè)階段，在切削階段受力情況與傳統(tǒng)切削一致，在分離階段后刀面與已加工表面不接觸，此時(shí)工件不受刀具的正壓力以及后刀面和已加工表面的摩擦力。

超聲橢圓振動(dòng)車削初始時(shí)，排屑速度大于Y方向的振動(dòng)速度，切屑流出方向與刀-屑間的摩擦力方向相反，摩擦力阻礙切屑流出，這一過(guò)程與常規(guī)切削相似[13]。隨著切削的進(jìn)行，由于變速切削的特性，Y方向的振動(dòng)速度從慢變快，當(dāng)振動(dòng)速度大于排屑速度時(shí)，刀-屑間的摩擦力方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，與切屑流出方向相同，有利于切屑的排出，使得平均切削力大幅降低。

圖3為超聲橢圓振動(dòng)切削基于Mrchant模型的受力分析[14-15]，其中：Nr為切削主力；Nf為吃刀抗力；Fr為正壓力；Ff為刀具前刀面與切屑的摩擦力；Fn為法向力；Fs為剪切平面的剪切力；F為切削合力；θ為反轉(zhuǎn)摩擦區(qū)的剪切角；λ為摩擦角；γ0為刀具前角。

圖3 UEVC過(guò)程中的受力分析Figure 3 Force analysis in UEVC process

2.2 超聲橢圓振動(dòng)切削溫度模型

超聲橢圓振動(dòng)切削過(guò)程中切削熱的主要來(lái)源是刀具與切屑之間的摩擦以及剪切面上金屬發(fā)生的塑性變形[16]。假設(shè)在超聲橢圓振動(dòng)切削過(guò)程中的熱量分布是均勻的，刀具與切屑摩擦產(chǎn)生的熱量為Qf；剪切面產(chǎn)生的熱量為Qs。則在UEVC過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可表示為：

(8)

式中：Vp為UEVC過(guò)程中切屑排出速度；St為刀-屑摩擦面的接觸面積；J0為熱功當(dāng)量；Sc為切屑在X-Z平面內(nèi)的截面積。

3 超聲橢圓振動(dòng)切削有限元仿真

課題組采用ABAQUS仿真軟件對(duì)硬質(zhì)合金刀具YG8車削7075-T6鋁合金切削過(guò)程進(jìn)行建模，模擬不同切削條件和振動(dòng)條件下的切削過(guò)程，探究各因素對(duì)切削力和切削溫度的影響。如圖4所示為UEVC的仿真模型。

圖4 UEVC仿真模型Figure 4 UEVC simulation model

3.1 材料本構(gòu)模型

課題組采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，該模型描述材料高應(yīng)變速率下熱黏塑性變形行為，其具體表達(dá)如下：

(9)

3.2 材料失效準(zhǔn)則

Johnson-Cook剪切失效準(zhǔn)則是材料即將失效時(shí)的等效塑性應(yīng)變計(jì)算方法。課題組采用的是Johnson-Cook剪切失效模型實(shí)現(xiàn)切屑從工件分離，當(dāng)損傷參數(shù)達(dá)到1時(shí)，單元即失效，失效參數(shù)定義如下：

(10)

(11)

(12)

3.3 切削條件

表1 切削條件

4 結(jié)果與分析

課題組采用單一控制變量法，在研究一個(gè)參數(shù)對(duì)切削力和溫度的影響時(shí)固定其他參數(shù)值。

4.1 常規(guī)車削與超聲橢圓振動(dòng)車削對(duì)比

4.1.1應(yīng)力對(duì)比分析

圖5為CC與UEVC切削時(shí)的Mises應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出2種切削方式中切屑的主應(yīng)力都為壓應(yīng)力，且主要集中在第1變形區(qū)。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)：UEVC的Mises應(yīng)力明顯小于CC的Mises應(yīng)力；隨著UEVC過(guò)程的進(jìn)行，Mises應(yīng)力的變形區(qū)會(huì)整體隨著切屑的不斷產(chǎn)生與排除發(fā)生變化，在切屑產(chǎn)生時(shí)會(huì)形成新的應(yīng)力變形區(qū)。這樣反復(fù)的變化使剪切變形區(qū)的切屑始終處于屈服狀態(tài)，有利于切屑的形成，且UEVC由于其獨(dú)特的斷續(xù)切削方式，更加利于切屑的塑性流動(dòng)，有助于切屑的排出。

圖5 不同切削方式的Mises應(yīng)力分布云圖Figure 5 Mises stress distribution cloud diagram for different cutting methods

4.1.2切削力對(duì)比分析

圖6為CC與UEVC的切削力曲線，從圖中可以看出，這2種切削方式的主切削力都是X方向的切削力， CC切削方式的切削力分布不均勻，UEVC切削方式的切削力為周期分布。從圖8可看出UEVC的平均切削力明顯小于CC的切削力，在相同的切削參數(shù)下，UEVC的平均主切削力降低了58%，平均吃刀抗力降低了71%。

圖6 不同切削方式的切削力Figure 6 Cutting force of different cutting methods

4.1.3切削溫度對(duì)比分析

圖7為CC與UEVC切削過(guò)程中的溫度變化圖。從圖中可以看出，切削熱主要分布在切屑和前刀面接觸的區(qū)域以及刀尖區(qū)域。在切削過(guò)程中，切屑越靠近與刀具接觸的部位，溫度越高。

圖7 不同切削方式的切削溫度分布Figure 7 Cloud map of cutting temperature distribution for different cutting methods

圖8為不同切削方式下的平均切削力和切削溫度圖。從圖中可以看出，前刀面的平均溫度高于刀尖的平均溫度，且在相同參數(shù)下，CC的溫度要高于UEVC的溫度，在相同的切削參數(shù)下，UEVC前刀面的平均溫度降低了2%，刀尖的平均溫度降低了7.5%。

圖8 不同切削方式下的平均切削力和切削溫度Figure 8 Average cutting force and cutting temperature under different cutting methods

4.2 UEVC切削參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響

4.2.1速度的影響

圖9(a)、(b)、(c)為不同切削速度下的切削力變化曲線，圖10 為UEVC過(guò)程中不同速度下的平均切削力和切削溫度，從圖中可以看出，隨著速度的增加，平均切削力增大。速度從20 m/min增加到40 m/min，X方向的平均切削力增大了18%，當(dāng)速度從40 m/min增加到60 m/min時(shí)，X方向的平均切削力增大了5%。隨著速度的增加，刀尖和前刀面的溫度都隨之升高，速度從20 m/min升高到40 m/min時(shí)，前刀面平均溫度和刀尖平均溫度都升高了14%；當(dāng)速度從40 m/min升高到60 m/min時(shí)，前刀面平均溫度和刀尖平均溫度分別升高了5%與10%。

圖9 不同切削速度下的切削力Figure 9 Cutting force at different cutting speeds

圖10 不同速度下的平均切削力和平均切削溫度Figure 10 Average cutting force and average cutting temperature under different speeds

4.2.2背吃刀量的影響

圖11(a)、(b)、(c)為不同切削速度下的切削力變化曲線，圖12為UEVC過(guò)程中不同背吃刀量下的平均切削力和切削溫度，從圖中可以看出，隨著背吃刀量的增加，工件材料的去除量變大，刀-屑接觸面積變大，金屬?gòu)椝苄宰冃卧龃螅Σ亮υ黾?，切削層的做功隨之增大，導(dǎo)致平均切削力增大。背吃刀量每增加0.1 mm，X方向的切削力增大37 N。隨著背吃刀量的增加，刀尖和前刀面的溫度都隨之增加。背吃刀量從0.1 mm增大到0.2 mm時(shí)，前刀面平均溫度和刀尖平均溫度分別升高了1%和10%；當(dāng)背吃刀量從0.2 mm增大到0.3 mm時(shí)，前刀面平均溫度和刀尖平均溫度分別升高了2%與9%。

4.3 UEVC振動(dòng)參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響

4.3.1X方向振幅的影響

圖13(a)、(b)、(c)為不同切削速度下的切削力變化曲線，圖14為UEVC過(guò)程中不同X方向振幅下的平均切削力和切削溫度，從圖中可以看出，隨著X方向振幅的增加，平均切削力減小，X方向振幅從6 μm增大到8 μm時(shí)，X，Y方向的平均切削力分別降低12%和11%；X方向振幅從8 μm增大到10 μm時(shí)，X，Y方向的平均切削力分別降低10%和19%。隨著X方向振幅的增加，刀尖和前刀面的溫度都隨之降低，振幅從6 μm增大到8 μm，從8 μm增大到10 μm時(shí)，前刀面平均溫度和刀尖平均溫度都分別降低了1%和1.5%。

圖11 不同背吃刀量下的切削力Figure 11 Cutting force at different cutting depth

圖12 不同切深下的平均切削力和平均切削溫度Figure 12 Average cutting force and average cutting temperature under different chip thickness

圖13 不同X方向振幅下的切削力Figure 13 Cutting force at different X-direction amplitude

圖14 不同X方向振幅下的平均切削力和平均切削溫度Figure 14 Average cutting force and average cutting temperature under different X-direction amplitude

4.3.2頻率的影響

圖15(a)、(b)、(c)為不同切削速度下的切削力變化曲線，圖16為UEVC過(guò)程中不同頻率下的平均切削力和切削溫度，從圖中可以看出，隨著頻率的增加，平均切削力減小，頻率每增大10 kHz，X方向的平均切削力降低19 N；頻率從20 kHz增大到30 kHz時(shí)，Y方向的平均切削力降低38%，當(dāng)頻率從30 kHz增大到40 kHz時(shí)，Y方向的平均切削力降低46%。隨著頻率的增加，刀尖和前刀面的溫度都隨之降低，頻率從20 kHz增大到30 kHz時(shí)，前刀面平均溫度和刀尖平均溫度分別下降了0.5%和0.6%；當(dāng)頻率從30 kHz增大到40 kHz時(shí)，前刀面平均溫度和刀尖平均溫度分別下降了1.7%與1.4%。

圖15 不同頻率下的切削力Figure 15 Cutting force at different frequencies

圖16 不同頻率下的平均切削力和平均切削溫度Figure 16 Average cutting force and average cutting temperature under different frequencies

5 結(jié)論

課題組運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)航空鋁合金進(jìn)行UEVC仿真分析，探究切削參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響，得出以下結(jié)論：

1) 與CC比較發(fā)現(xiàn)，UEVC的Mises應(yīng)力分布更加有利于切屑的形成和排出，UEVC因其獨(dú)特的切削性能能夠明顯降低切削力，在一定程度上降低切削溫度。

2) 在UEVC過(guò)程中，切削力呈周期性的變化規(guī)律，主要受X方向的主切削力。切削力隨著速度和背吃刀量的增大而增大，隨著X方向振幅和頻率的增大而減小。

3) 在UEVC過(guò)程中，切削熱主要集中在切屑與前刀面接觸的區(qū)域。切削溫度隨著速度和背吃刀量的增大而增加，隨著X方向振幅和頻率的增大而減小，切削溫度與切削力表現(xiàn)出一致性。

4) 在切削參數(shù)中，背吃刀量對(duì)切削力的影響最為顯著，切削速度次之；在振動(dòng)參數(shù)中，頻率對(duì)切削力的影響最為顯著，振幅次之。

5) 課題組采用控制變量的方法進(jìn)行研究，研究數(shù)據(jù)比較局限，還可以擴(kuò)大參數(shù)的范圍，更加準(zhǔn)確地研究切削力和切削溫度的影響。