鈦合金薄壁件超聲振動輔助銑削工藝研究*

于福權(quán),方振龍

(長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,吉林 長春 130000)

0 引 言

鈦合金材料有優(yōu)異的比強度、比剛度和耐腐蝕特性,在航空航天領(lǐng)域有廣泛的發(fā)展前景[1-3]。但是,由于鈦合金薄壁工件存在局部剛度低、導(dǎo)熱系數(shù)小以及表面硬化嚴(yán)重等問題,在加工過程中易發(fā)生變形現(xiàn)象,嚴(yán)重影響其加工精度,成為束縛其應(yīng)用的主要因素[4,5]。

隨著“工業(yè)4.0”及“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施,智能制造、精密加工等成為制造業(yè)的熱點話題,對鈦合金薄壁件加工工藝的研究也成為學(xué)者們關(guān)注的重點。

劉暢等人[6]建立了銑削加工切削力的動態(tài)模型,并對不同工藝參數(shù)下薄壁件加工過程進(jìn)行了研究,從而有效優(yōu)化了切削工藝。李同[7]采用ANSYS有限元軟件模擬了鈦合金的銑削過程,并討論了銑削參數(shù)對鈦合金表面質(zhì)量的影響,為切削參數(shù)選擇提供了參考。ZHAO H R等人[8]基于TC4鈦合金的Johnson-Cook本構(gòu)模型、改進(jìn)庫侖摩擦應(yīng)力模型以及切屑分離準(zhǔn)則等理論,對鈦合金薄壁零件的銑削進(jìn)行了數(shù)值模擬,為鈦合金薄壁件銑削提供了理論基礎(chǔ)。

綜上所述,當(dāng)前對鈦合金薄壁件的研究主要集中于普通銑削工藝,但是由于加工過程中工件的形變較大,使其加工質(zhì)量很難得到保證。

近年來,超聲振動輔助加工作為一種新興加工工藝,相關(guān)的研究成果也不斷涌現(xiàn)出來。

高玉俠[9]將超聲振動用于鎂合金銑削的加工中,并以銑削力、切屑形態(tài)以及加工精度作為指標(biāo),驗證了超聲振動對提高銑削質(zhì)量的輔助作用。張躍敏等人[10]基于離散法,建立了縱向超聲振動銑削有限元模型,通過葉瓣圖分析了超聲振動對于切削穩(wěn)定性的影響,拓寬了對超聲銑削的研究途徑。牛秋林等人[11]對復(fù)合材料SiCp /Al進(jìn)行了縱向超聲振動輔助銑削試驗,并探究了切屑宏觀與微觀形貌的形成機(jī)理,最后用測試結(jié)論驗證了理論分析的有效性。

超聲輔助加工為鈦合金薄壁件銑削提供了基礎(chǔ)參考。為進(jìn)一步減少薄壁件變形,提高加工質(zhì)量,筆者提出一種基于超聲輔助銑削加工工藝方法。

筆者利用ABAQUS分析鈦合金銑削的受力形式和變形機(jī)理,研究超聲振動對銑削加工的促進(jìn)作用,討論銑削力對薄壁件形變量的影響;同時,設(shè)計鈦合金薄壁件超聲振動銑削試驗,為如何優(yōu)化加工參數(shù)、減少加工變形提供依據(jù)。

1 形變分析

1.1 金屬切削理論

切削加工中,刀具對工件直接作用,將多余材料以切屑的形式去除從而得到設(shè)計的零件。該過程中,還會伴隨切削力、切削熱、刀具磨損和工件形變等切削物理量。工件在切削時產(chǎn)生的彈性和塑性變形,伴隨著切屑的生成,加工中還會出現(xiàn)積屑瘤,產(chǎn)生振動等問題,嚴(yán)重影響工件的加工質(zhì)量。

金屬切削時有3個變形區(qū):

在第一變形區(qū),工件材料從彈性變形過渡到塑性變形,內(nèi)部晶粒發(fā)生剪切滑移和位錯,從而產(chǎn)生切屑;

在第二變形區(qū),未加工材料的晶格發(fā)生位錯和滑移后分離,一部分形成切屑從工具的前表面脫離,另一部分形成工件表面,當(dāng)切屑形成時,工具前表面將承受很強的高溫高壓作用,造成切屑和工具表面之間的粘結(jié)和磨損,甚至增大后續(xù)切屑的摩擦阻力,造成溫度的進(jìn)一步升高,形成惡性循環(huán);

切屑和工件分離后,新形成的加工面由于受到切削刃和后刀面的作用產(chǎn)生彈塑性變形,該區(qū)域稱為第三變形區(qū)。在該區(qū)域內(nèi),加工后的表面會發(fā)生一定程度的回彈,該部分回彈量主要是受到殘余應(yīng)力和表面加工硬化效應(yīng)的影響,當(dāng)出現(xiàn)加工硬化時,還會伴隨著表面微裂紋的生成,降低了表面質(zhì)量[12,13]。

金屬切削加工示意圖如圖1所示。

1.2 受力形式

薄壁工件銑削加工過程中,由于工件厚度遠(yuǎn)小于工件的高度,薄壁在z方向銑削力的影響下發(fā)生變形。筆者通過對薄壁件銑削區(qū)域進(jìn)行受力分析,從而研究其變形情況。

薄壁工件的受力形式如圖2所示。

圖2 薄壁件銑削示意圖

從圖2中可以看出:在受力變形分析中,以薄壁面為x-y平面建立直角坐標(biāo)系,對薄壁的受力進(jìn)行理論推導(dǎo)。為此,筆者進(jìn)行合理化假設(shè):

(1)銑削加工區(qū)域視為均布面載荷,忽略銑刀和切削刃形狀因素帶來的載荷分布不均問題;

(2)分析薄壁件中間區(qū)域受力和形變時,單純以薄壁件底部為固定約束,不考慮切削加工區(qū)域兩側(cè)的影響;

(3)精密銑削加工中,銑削厚度在薄壁厚度1/10以下時,不考慮厚度變化對形變產(chǎn)生的干擾。

實際銑削加工中,薄壁上邊緣銑削位置形變量最大,此時薄壁件的約束完全由底面提供,薄壁件底部受到的反力Ffix為:

Ffix=-F

(1)

式中:F—銑削時薄壁受到的z方向銑削力。

1.3 薄壁件受力變形

在薄壁面受力形變分析中,銑刀和工件之間的接觸可視為均布載荷,其載荷分布如圖3所示。

圖3 載荷分布圖

銑刀在薄壁件表面產(chǎn)生的均布載荷q可定義為:

(2)

式中:l—銑削長度。

在均布載荷的作用下,薄壁件在底面固定位置產(chǎn)生的彎矩最大,對于薄壁底部位置的最大彎矩Mmax可表示為:

(3)

式中:h—薄壁的高度。

撓曲線近似微分方程[14]:

(4)

式中:E—鈦合金的彈性模量;I—截面的慣性矩。

通過對微分方程(4)進(jìn)行積分和疊加,即可獲得薄壁在末端的最大撓度為:

(5)

對于薄壁件來說,其橫截面為矩形,再通過引入矩形截面的慣性矩公式[15]:

(6)

式中:a—薄壁的厚度;b—薄壁的寬度。

將慣性矩公式(6)代入到式(5)中,即可求得薄壁件在銑削過程中產(chǎn)生的最大形變量。

2 仿真分析

2.1 超聲加工刀具運動軌跡

在XOY平面內(nèi),普通切削刀具的運動軌跡是一條直線。在超聲振動銑削加工中,銑刀增加了沿刀柄方向的高頻振動,使刀尖的運動軌跡均呈現(xiàn)螺旋狀曲線。

通過控制超聲振動的相位差,以此改變材料加工過程的切削機(jī)理,可以使切削效率和加工質(zhì)量大幅提高。

刀尖運動軌跡如圖4所示。

圖4 超聲振動切削刀尖運動軌跡

2.2 材料本構(gòu)模型

筆者采用Johnson-Cook本構(gòu)模型對鈦合金材料的屬性進(jìn)行設(shè)置,其表達(dá)式為:

(7)

有限元仿真過程中鈦合金工件JC本構(gòu)方程具體參數(shù),如表1所示。

表1 JC本構(gòu)方程參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

筆者通過構(gòu)建薄壁件銑削的有限元仿真模型,對仿真過程中薄壁件的形變和應(yīng)力進(jìn)行分析[16]。

首先,建立圖2中薄壁件的仿真模型,將材料和銑刀分別賦予材料屬性;其次,將薄壁件底部的自由度進(jìn)行完全約束,還原實際加工中的安裝情況,并對銑刀的銑削速度和振動參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,模擬加工中普通銑削和超聲振動銑削的運動特性;最后,通過對工件和銑刀的網(wǎng)格劃分,實現(xiàn)銑削過程的有限元模擬。

為研究普通銑削和超聲振動銑削工藝的區(qū)別,筆者選擇表3中第1組、第7組以及第10組切削參數(shù)進(jìn)行仿真分析,如圖(5～7)所示。

圖5 第1組參數(shù)仿真結(jié)果

圖6 第7組參數(shù)仿真結(jié)果

圖7 第10組參數(shù)仿真結(jié)果

為了更直觀地進(jìn)行分析,筆者將圖(5～7)仿真結(jié)果進(jìn)行了列表對比,如表2所示。

表2 不同參數(shù)仿真結(jié)果對比

由仿真結(jié)果可知:在不同參數(shù)條件下,薄壁工件在受到銑削力的作用后,都會產(chǎn)生一定程度的形變;但是相比普通銑削工藝,超聲振動通過改變切削機(jī)理可實現(xiàn)斷續(xù)切削,從而大幅減小銑削作用力,進(jìn)而有效改善工件因銑削力作用而產(chǎn)生的變形,提高工件加工效率和質(zhì)量。

3 試 驗

筆者設(shè)計超聲振動輔助銑削試驗平臺,如圖8所示。

圖8 超聲振動銑削試驗平臺

在圖8中:

(a)為北京精雕集團(tuán)生產(chǎn)的JD VT600_A12S型精雕機(jī),主軸最大轉(zhuǎn)速為25 000 r/min,主軸運動精度為0.1 μm,工作行程為600×400×350 mm;

(b)為鎢鋼材質(zhì)的四面刃立銑刀,其直徑為4 mm,工作長度為10 mm;

(c)為Kistler 9255C測力儀,對試驗過程中產(chǎn)生的銑削力信號進(jìn)行采集,信號采集量程為60 N,采樣精度為±0.01 N,采樣頻率最大為100 kHz;

(d)為超聲振動電源,額定功率為300 W,當(dāng)超聲振動能量增加時超聲振幅也會相應(yīng)的增加;

(e)為ZYGO公司生產(chǎn)的三維光學(xué)輪廓儀,對試驗后薄壁的形變量進(jìn)行非接觸式微米級采集和表征。

試驗前,筆者將工件加工成圖2所示的結(jié)構(gòu)(薄壁區(qū)域厚度為1 mm,高度為5 mm,寬度為20 mm),通過薄壁底部的夾持結(jié)構(gòu)實現(xiàn)工件的固定。

試驗過程中,保持冷卻液流動穩(wěn)定,并且避免銑刀運動對冷卻液流動狀態(tài)造成的干擾,降低銑削力采集誤差。

試驗后,使用三維輪廓儀對工件薄壁區(qū)域的形變量進(jìn)行采集。

試驗時,筆者選取主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和超聲振動功率為自變量,切削厚度為0.2 mm,銑削長度為3 mm,對不同參數(shù)組合形式下加工時工件受到的銑削力和加工后薄壁產(chǎn)生的形變量進(jìn)行研究。

超聲振動輔助銑削試驗的具體參數(shù)如表3所示。

表3 試驗參數(shù)

4 結(jié)果與分析

鈦合金薄壁件銑削過程中,薄壁在銑刀的作用下將發(fā)生一定程度的變形,對加工后的工件質(zhì)量產(chǎn)生影響。

由于工件薄壁特征銑削時變形不可避免,因此,筆者對試驗過程中銑削力進(jìn)行檢測和采集,實現(xiàn)薄壁件切削過程中形變量的在線分析,從而對銑削工藝參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整,避免反復(fù)裝夾和檢測影響加工進(jìn)度。

薄壁件進(jìn)行銑削時,測力儀以80 kHz的采樣頻率對銑削力信號進(jìn)行采集,將采集的銑削力進(jìn)行信號降噪,并利用測力儀采集和處理銑削力數(shù)據(jù)。

此處以第10組數(shù)據(jù)試驗結(jié)果為例,則銑削力動態(tài)曲線如圖9所示。

圖9 銑削力動態(tài)數(shù)據(jù)

由圖9可以看出:超聲輔助加工時,工件所受到的銑削力明顯低于普通加工,與仿真結(jié)果趨于一致。

筆者將銑削加工中銑削力平穩(wěn)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理,并將普通銑削和超聲振動銑削的銑削力進(jìn)行列表對比,如表4所示。

表4 銑削力試驗結(jié)果

筆者將表4中的銑削力數(shù)值代入到最大撓度公式(5)中,對薄壁在末端的形變量進(jìn)行計算(式中,E為112 GPa,I為666.7 mm4);同時,使用輪廓儀對薄壁末端的形變量進(jìn)行檢測。

薄壁件末端形變量計算值和檢測值的對比情況,如圖10所示。

圖10 不同工藝參數(shù)下薄壁形變量的對比情況

圖10(a)中可以看出:薄壁件銑削加工中,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,形變量整體上呈逐漸降低的趨勢,尤其是在超聲銑削加工中,薄壁的形變量明顯小于普通銑削加工,并且形變量降低得更為平穩(wěn);

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時,相當(dāng)于每齒的切削量在降低,從而導(dǎo)致加工中銑削力下降,避免了薄壁件加工時出現(xiàn)較大的變形。

普通銑削中主軸轉(zhuǎn)速較低時,機(jī)床的振動效果更顯著,會一定程度地造成形變量波動,而施加軸向超聲振動有利于切削穩(wěn)定。薄壁形變量的計算值和測量值之間呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律,兩者之間的平均誤差為4.5%。

圖10(b)為薄壁形變量隨進(jìn)給速度的變化趨勢,從中可看出:當(dāng)進(jìn)給速度增加時,無論是普通銑削還是超聲銑削,形變量都呈現(xiàn)出明顯的增加,并且超聲作用下形變量也會有所降低。這主要是因為進(jìn)給速度的增加導(dǎo)致切削量增加,造成銑削力逐漸增大,而超聲振動有助于降低銑削力。

由于薄壁形變量主要是通過銑削力進(jìn)行理論計算獲得,形變量和銑削力之間具有強相關(guān)性,因此,理論計算值和實際測量值之間變化趨勢相同,兩者之間平均誤差為4.6%。

圖10(c)為薄壁形變量隨超聲功率的變化趨勢,在超聲功率為0時相當(dāng)于普通銑削加工,從中可以看出:隨著超聲功率的增加,形變量逐漸降低。當(dāng)超聲功率達(dá)到120 W之后,形變量的降低效果并不明顯,并且超聲功率的增加還會造成超聲設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重。因此,在實際的銑削加工中單純的增加超聲功率對降低薄壁形變量并不合理。

通過對比薄壁形變量的理論值和測量值可知,兩者之間的平均誤差僅為2.4%。

從整體上看,薄壁銑削后的形變量測量值全部略小于理論計算值,這主要包含兩點原因:(1)理論計算中采用的是被切削區(qū)域的完全均布載荷,而實際的銑削加工中被切削區(qū)域并不能同時承受均布載荷的作用;(2)實際的銑削加工后,被加工位置會發(fā)生一定程度的回彈,降低了薄壁的形變量。

此外,隨著超聲振動功率的增加形變量理論值和實際值之間的誤差逐漸減小,這可能是超聲振動有利于降低工件的殘余應(yīng)力,避免工件加工后產(chǎn)生回彈。

5 結(jié)束語

為進(jìn)一步減少薄壁件變形,提高加工質(zhì)量,筆者提出了一種基于超聲輔助銑削加工工藝方法。

筆者從薄壁件銑削受力的角度對形變量進(jìn)行了理論分析,借助有限元軟件直觀地對比了普通銑削和超聲振動銑削在形變和應(yīng)力方面的區(qū)別,通過設(shè)計單因素試驗,研究了工藝參數(shù)對薄壁形變量的影響規(guī)律,驗證了形變量理論模型的有效性。

研究結(jié)論如下:

(1)超聲振動銑削可以降低應(yīng)力值和薄壁形變量,對提高薄壁件的加工質(zhì)量和加工精度有促進(jìn)作用。通過對試驗中銑削力的測量,可以實現(xiàn)薄壁件形變量的實時監(jiān)測;

(2)隨著主軸轉(zhuǎn)速和超聲功率的增加,薄壁形變量呈逐漸降低的趨勢,試驗編號5的參數(shù)條件下,形變量最低可達(dá)0.53 μm;而隨著進(jìn)給速度的增加,薄壁形變量呈逐漸增加的趨勢,形變量和進(jìn)給速度之間具有明顯的線性關(guān)系;

(3)試驗結(jié)果驗證了仿真分析的有效性及理論分析的正確性,工件形變量理論值和測量值之間呈相同的變化趨勢,兩者之間的平均誤差在5%以內(nèi)。

在后續(xù)的研究過程中,筆者將進(jìn)一步分析超聲輔助加工對工件表面質(zhì)量的影響,并對不同參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以期獲得最佳的加工工藝參數(shù)。