鈦合金鋼的縱扭切削加工特征及效果分析

凌海明

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163741）

0 引言

鈦合金因其優(yōu)良的機(jī)械性能，在航空、航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但其低熱導(dǎo)率、低彈性模量、高化學(xué)活性的特點(diǎn)，使得其在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用受到極大限制。本文將超聲縱扭式復(fù)合振動(dòng)與銑削工藝相結(jié)合，通過理論建模、實(shí)驗(yàn)分析等手段，對鈦合金在超聲縱扭式復(fù)合振動(dòng)下的表面形貌特征下進(jìn)行深入分析，闡明其在超聲縱扭式復(fù)合振動(dòng)下表面形貌的產(chǎn)生機(jī)制和力學(xué)實(shí)質(zhì)。

1 超聲縱扭銑削運(yùn)動(dòng)特性分析

切割機(jī)在切割機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上產(chǎn)生的扭振和切割機(jī)的縱波超聲波在切割機(jī)的軸線上產(chǎn)生的縱波共振。超聲縱扭振動(dòng)銑削如圖1 所示，刀具切割刃的運(yùn)動(dòng)包括刀具旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)、超聲縱向振動(dòng)、超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖1 超聲縱扭復(fù)合振動(dòng)銑削模型

通過對超聲縱扭振動(dòng)組合的銑削運(yùn)動(dòng)軌跡的分析可以看出，在加工過程中，刀具和工件之間形成了一個(gè)周期的“分離—接觸”。通過超聲縱扭復(fù)合振動(dòng)來完成切削刃的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，使得被加工的表面可以呈現(xiàn)出較為規(guī)律的加工結(jié)構(gòu)。

2 超聲縱扭銑削理論模型

提出了一種新型的切削力超聲縱振方法：在常規(guī)銑削的基礎(chǔ)上，對刀具疊加超聲波振蕩，其振動(dòng)方向與進(jìn)給方向相同，從而使進(jìn)給量產(chǎn)生變化（圖2）。

圖2 超聲銑削理論模型

3 實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 超聲縱扭聲學(xué)系統(tǒng)

在變幅桿上開螺旋槽，來實(shí)現(xiàn)雙激發(fā)作用下刀具的超聲縱扭復(fù)合振動(dòng)輸出。進(jìn)而對組裝后的聲學(xué)振動(dòng)系統(tǒng)展開阻抗和振幅測試，得到系統(tǒng)的諧振頻率為34.126 kHz，縱向振幅和扭矩振幅之比約為1∶0.7。測試中使用的超聲縱扭聲學(xué)系統(tǒng)，主要包括無線傳輸系統(tǒng)、超聲電源、機(jī)床主軸等（圖3）。

圖3 超聲縱扭振動(dòng)系統(tǒng)

為降低超聲變幅桿在實(shí)際加工過程中所產(chǎn)生的誤差，就必須對其展開超聲振動(dòng)聲學(xué)系統(tǒng)特性的研究。實(shí)驗(yàn)過程中，利用PV70A 型阻抗分析儀進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，其共振頻率達(dá)為41.25 kHz，與設(shè)計(jì)頻率41 kHz 的偏差比較小，可以滿足應(yīng)用需求，縱扭比值為1∶0.7。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

以WMC850E 三軸立式銑床為研究對象，利用無線控制的超聲波一體化刀具，完成了Ti6Al4V 鈦基合金的縱向和扭轉(zhuǎn)組合振動(dòng)側(cè)向銑床的實(shí)驗(yàn)。將傳感器、變幅桿、銑刀按順序聯(lián)接到機(jī)器的主軸上，將超聲波動(dòng)力與傳感器連接到無線傳送圓盤上。除此之外，實(shí)驗(yàn)還配備了KISTLER 9257B 型測力儀、N19205 型多路數(shù)據(jù)采集卡、充電放大器以及用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)。測試平臺(tái)如圖4 所示。

圖4 超聲縱扭銑削系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)中使用的Ti6Al4V 鈦合金材料由同一批澆鑄而來，其機(jī)械性能見表1。銑削所使用的工具是YNES40800AF 型四刃直柄粉末高硬納米平頭端銑刀，直徑為9.0 mm、螺旋角為36°、切齒數(shù)量為4、刃長30 mm、全長72 mm。在每個(gè)銑加工工序中更換新的工具，以減少工具損耗對測試結(jié)果的影響。

表1 鈦合金Ti6Al4V 力學(xué)性能

3.3 銑削結(jié)果對比

在同樣的工藝條件下，采取120 m/min 的切割速率。隨著切割速率的增加，切割溫度上升，使切屑層更加軟化。因此，切割速率120 m/min 時(shí)的表面粗糙度要比90 m/min 時(shí)小，可以有效地減小鋸片與前刀面上的摩擦力，使得切割更加平滑，并可有效降低被切割面的粗糙度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著切削速率的提高，超聲波縱扭銑的振動(dòng)幅度增大，可使表面的粗糙度降低。通過超聲縱扭銑削加工與普通銑削加工的實(shí)驗(yàn)比較，可以看出縱扭銑削加工后的表面結(jié)構(gòu)比起普通銑削加工后的表面結(jié)構(gòu)有顯著提高，而表面粗糙度顯著下降。

4 有效性分析

在正常銑削和超聲縱扭銑削中，每齒進(jìn)給量為0.04 mm、切削速度為90 m/min、徑向切深為0.3 mm、超聲振幅為4 μm 時(shí)，對測量加工與實(shí)驗(yàn)時(shí)的表面形貌進(jìn)行比較。結(jié)果表明，測量加工形貌與實(shí)驗(yàn)形貌的質(zhì)地相似，在正常加工測量得到的最大表面厚度為9.42 μm，實(shí)驗(yàn)得到的最大表面厚度為10 μm，平均偏差為6.1%。用該方法進(jìn)行了縱向和扭轉(zhuǎn)切削，得到了測量值為3.8 μm，實(shí)驗(yàn)值為4 μm，相對偏差為5.3%。分析發(fā)現(xiàn)，超聲波縱扭銑的最大輪廓高度和平均高度，與常規(guī)銑削相比都要小得多，表面形貌的處理質(zhì)量顯著提高。

從測量值與實(shí)驗(yàn)值殘余高度曲線中可以看出，測量與實(shí)驗(yàn)的形貌輪廓吻合程度較高，實(shí)驗(yàn)得出的形狀能夠有效反映測量的形狀和特點(diǎn)。其中偏差的成因有：零件在切削時(shí)由于應(yīng)力、應(yīng)變率及高溫而引起的塑性形變、測量誤差、工具磨損等。在表面形貌實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅旧淼臏?zhǔn)確性以及實(shí)驗(yàn)程序計(jì)算時(shí)間等，都會(huì)對結(jié)果造成一定的影響。

5 結(jié)論

（1）對超聲波縱扭銑與常規(guī)銑削所得到的表面形態(tài)進(jìn)行分析，可以看出，由于超聲波縱扭銑削的作用，在切削時(shí)會(huì)出現(xiàn)周期性的“脫開—接觸”現(xiàn)象，使被切削的表面呈現(xiàn)出較為均勻、規(guī)整切削紋理，而且隨著其組織尺度的增大，致密程度逐漸降低。常規(guī)銑削過程中，刀片與被切削材料之間會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的粘結(jié)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)鱗刺。

（2）對縱扭銑與常規(guī)銑削的表面粗糙度進(jìn)行比較，結(jié)果表明：當(dāng)切割速率恒定時(shí)，縱扭銑得到的表面粗糙度顯著低于常規(guī)銑削。隨著振幅的增大，其表面粗糙度減小。

（3）對各齒進(jìn)給速率對曲面形貌的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)其他條件相同時(shí)，各齒進(jìn)給速率越低，曲面形貌的殘余高度越低。在進(jìn)給方向上，兩個(gè)刀片的間隔增大，使峰值和低谷的高度差異縮小，可以降低對應(yīng)的粗糙度，從而提高加工質(zhì)量。

（4）根據(jù)單齒單齒進(jìn)給程度的差異，分別從超聲波縱扭銑與常規(guī)銑削兩種切削方式下，獲取兩種切削方式下的表面波紋特征曲線，并進(jìn)行效果分析。結(jié)果表明，測量結(jié)果所得到的最大圍巖高度和平均高程分別為5.3%和4.0%。在常規(guī)工藝條件下，最大等值線高度和平均等值線高度的相對偏差分別為6.1%和6.0%。實(shí)驗(yàn)的形狀可以很好地表現(xiàn)出測量形狀的周期特征和高度特征，其表面形貌的加工質(zhì)量比常規(guī)銑削加工的表面形貌質(zhì)量要好得多。