飛機(jī)難加工材料1Cr15Ni4Mo3N超聲銑削加工試驗(yàn)研究

周元莉，劉 樂，王曉峰，萬 蕾

(沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

隨著航空航天領(lǐng)域在綜合性能、高可靠性方面對(duì)航空航天產(chǎn)品提出越來越苛刻的要求，大量新型高性能難加工材料踴躍出現(xiàn)，如復(fù)合材料、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等，隨之對(duì)難加工材料的高效、高質(zhì)量加工提出新的挑戰(zhàn)[1-3]。作為特種加工工藝方法，與傳統(tǒng)材料切削加工工藝方法相比，超聲振動(dòng)銑削加工可實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削的加工效果，不僅可以減小加工過程中的切削力、切削溫度，同時(shí)還可以改善加工效率，延長(zhǎng)刀具壽命，提高加工質(zhì)量[4]。本文開展飛機(jī)難加工材料1Cr15Ni4Mo3N合金鋼超聲銑削加工試驗(yàn)，探究超聲振動(dòng)輔助作用對(duì)難加工材料銑削加工過程中銑削力、銑削表面完整性以及刀具磨損等的影響規(guī)律，為飛機(jī)難加工材料的高精高效加工儲(chǔ)備新的工藝方法。

1 超聲銑削加工

與傳統(tǒng)切削不同，超聲振動(dòng)銑削為一種復(fù)合加工工藝，相當(dāng)于在傳統(tǒng)銑削過程中給予刀具或工件一定的往復(fù)振動(dòng)，且該振動(dòng)的大小、方向、頻率均可設(shè)置[5]。其加工原理為：刀具隨著主軸進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過連接外置超聲波發(fā)生器將電能轉(zhuǎn)換為超聲頻電振蕩信號(hào)，經(jīng)由換能器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，接著將振動(dòng)幅值經(jīng)過變幅桿放大，從而驅(qū)使刀具沿軸向產(chǎn)生超高頻的、具有一定振幅的連續(xù)振動(dòng)，將材料先擊碎，再去除[6]。整個(gè)加工過程中刀具與工件始終處于周期性分離狀態(tài)，從而在大幅降低切削力的同時(shí)，改善傳統(tǒng)銑削方式，優(yōu)化加工結(jié)果[7]，超聲銑削加工原理如圖1所示。

綜上所述，可得出超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿在整個(gè)超聲銑削加工系統(tǒng)中起主要作用[8]。超聲波發(fā)生器作為超聲電源，主要為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，輸出動(dòng)力[9]。超聲換能器作為超聲振動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，起著接收從外端超聲波發(fā)生器處產(chǎn)生的超聲頻電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)的作用[10]。超聲變幅桿除用于配合超聲波發(fā)生器和換能器增大超聲波振動(dòng)幅度之外，還能夠調(diào)整換能器與刀具頭之間的負(fù)載匹配，有效降低兩者之間的諧振阻抗，進(jìn)而減少換能器的發(fā)熱現(xiàn)象，提高換能器的使用壽命[11]。

圖1 超聲銑削加工原理

2 超聲銑削試驗(yàn)平臺(tái)

搭建超聲銑削試驗(yàn)平臺(tái)，開展超聲銑削加工與傳統(tǒng)銑削加工對(duì)比試驗(yàn)，探究超聲振動(dòng)對(duì)刀具切削性能及零件加工效果的影響，包括切削力、加工表面質(zhì)量、刀具壽命等。超聲銑削試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖2所示。

超聲銑削試驗(yàn)平臺(tái)主要由超聲刀柄和超聲電源發(fā)生器組成，搭建的超聲銑削試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。其中超聲刀柄系統(tǒng)主要包括刀柄、刀具和供電系統(tǒng)。

(1) 刀柄。平臺(tái)采用雙彎橢圓振動(dòng)形式及大直徑進(jìn)口壓電陶瓷片刀柄，如圖4所示，具備中心氣冷功能，可有效解決大功率換能器散熱問題，進(jìn)而保證換能器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

(2) 刀具?？紤]刀柄剛性和振動(dòng)性能，平臺(tái)采用非標(biāo)刀具，并采用硬質(zhì)合金刀具熱裝不銹鋼螺紋實(shí)現(xiàn)刀具與刀柄的連接，有效解決了大直徑硬質(zhì)合金銑刀傳振問題。超聲銑削系統(tǒng)刀具如圖5所示。

圖2 超聲銑削試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖3 搭建的超聲銑削試驗(yàn)平臺(tái)

圖4 超聲銑削系統(tǒng)刀柄

圖5 超聲銑削系統(tǒng)刀具

(3) 供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)主要由副邊磁芯、副邊線圈、磁芯座、換能器等構(gòu)成，采用非接觸式供電方案，如圖6所示，合理解決了現(xiàn)有導(dǎo)電滑環(huán)供電方式不能滿足實(shí)際工況冷卻要求的問題。

圖6 超聲銑削系統(tǒng)的供電系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

飛機(jī)難加工材料超聲銑削加工試驗(yàn)材料：1Cr15Ni4Mo3N合金鋼；試驗(yàn)機(jī)床：立式三軸加工中心695；控制系統(tǒng)：SINUMERIK 840D；超聲刀柄規(guī)格：BT50-ER25。其他試驗(yàn)裝置包括超聲波發(fā)生器、三向測(cè)力儀、電荷放大器、輪廓儀、顯微鏡、掃描電鏡、電荷放大器、計(jì)算機(jī)等。

3.1 切削力對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)選取整體硬質(zhì)合金立銑刀，在銑削速度43 m/min、切削深度10 mm、切削寬度16 mm和每齒進(jìn)給量0.2 mm的設(shè)定下(下同)，對(duì)比研究超聲銑削與傳統(tǒng)銑削加工對(duì)切削力的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出：相較于普通銑削，超聲振動(dòng)的輔助作用可降低銑削加工過程中的切削力30%以上；同時(shí)超聲振動(dòng)的輔助作用也減少了銑削過程中的積屑瘤和鱗刺等現(xiàn)象，改善了銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖7 切削力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

3.2 切削性能對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，改變銑削過程中的主要參數(shù)銑削速度、進(jìn)給速度、切削深度、吃刀量等,統(tǒng)一設(shè)置刀具直徑，對(duì)比超聲銑削與傳統(tǒng)銑削刀具的壽命和被加工零件表面質(zhì)量的差別。

以大進(jìn)給刀具為例，試驗(yàn)參數(shù)及表面質(zhì)量如表1所示。超聲振動(dòng)的輔助作用大幅度縮減了刀具與工件的實(shí)際接觸時(shí)間，降低了由于機(jī)床自身穩(wěn)定性產(chǎn)生的振動(dòng)幅度，從而提高了加工精度。空化作用及切削液充分冷卻的作用，促使切削區(qū)域溫度值降低，阻止積屑瘤形成；同時(shí)因表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，可有效提升工件表面質(zhì)量。

表1 參數(shù)及表面質(zhì)量數(shù)據(jù)

3.3 刀具壽命對(duì)比試驗(yàn)

在切削深度10 mm、切削寬度16 mm和每齒進(jìn)給量0.15 mm的試驗(yàn)環(huán)境下，開展不同銑削速度的刀具壽命對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)加工過程進(jìn)行記錄，得到超聲銑削與傳統(tǒng)銑削加工過程中的刀具(刀片)磨損數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 不同銑削速度下刀具壽命對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

相較于傳統(tǒng)銑削加工，超聲銑削刀具后刀面磨損緩慢。切削速度為80 m/min時(shí)，切削長(zhǎng)度可以達(dá)到179 m，較同等切削參數(shù)條件下的普通銑削長(zhǎng)度提升4.42倍。切削速度為120 m/min時(shí)，銑削長(zhǎng)度可以達(dá)到154 m，較同等切削參數(shù)條件下的普通銑削長(zhǎng)度提升5.416倍。切削速度為160 m/min時(shí)，銑削長(zhǎng)度可以達(dá)到58 m，較同等切削參數(shù)條件下的普通銑削長(zhǎng)度提升2.22倍。

4 結(jié)論

飛機(jī)難加工材料1Cr15Ni4Mo3N合金鋼超聲銑削加工試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 超聲銑削加工過程中刀具與被加工面為斷續(xù)接觸，可大幅度降低刀具所受到的切削阻抗力，避免了普通切削時(shí)的“讓刀”現(xiàn)象,試驗(yàn)結(jié)果顯示超聲振動(dòng)輔助作用可有效降低銑削過程中的切削力30%以上。

(2) 斷續(xù)切削所產(chǎn)生的熱量大大減少，經(jīng)充分冷卻，工件被加工面晶格組織保持完好，不產(chǎn)生積屑瘤，可獲得很高的表面完整性。同時(shí)金屬從高點(diǎn)向低點(diǎn)產(chǎn)生流動(dòng)，使金屬零件表面達(dá)到更理想的表面粗糙度，有效提高了被加工件表面質(zhì)量。

(3) 超聲振動(dòng)過程中因空化作用產(chǎn)生局部的負(fù)壓區(qū)，從而引起液體界面破裂形成微泡，微泡經(jīng)迅速脹大和破裂后會(huì)產(chǎn)生一種微激波，使加工區(qū)域熱量迅速被帶走，并具有快速清潔作用，減緩刀具磨損進(jìn)度，進(jìn)而提高了刀具的耐用度，延長(zhǎng)了刀具使用壽命。