高速超声振动铣削钛合金实验研究_韩雄.pdf

http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0519高速超声振动铣削钛合金实验研究韩雄1，2，孙哲飞1，耿大喜1，*，张德远1(1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191；2.成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都610091)摘要：针对钛合金在普通铣削（CM）时因切削速度低而面临的切削力大、薄壁工件变形大、加工效率低、刀具磨损严重等问题，采用高速超声振动铣削（HUVM）方法加工钛合金，实验研究其加工表面质量和切削力。从运动学角度出发对 HUVM 方法进行运动学分析。搭建包括超声振动系统、加工系统及测量系统在内的高速超声振动铣削实验平台。采用单因素实验对比 CM 和HUVM 这 2 种方法对钛合金加工切削力和表面质量的影响规律。研究结果表明：与 CM 加工相比，HUVM 加工可以使切削力降低 32.6%35.3%。并且 HUVM 加工表面粗糙度虽略有增加，但是表面结构可以更加均匀；此外，HUVM 加工表面残余应力均为压应力，其绝对值随着每齿进给量和切削速度的增大而降低，而 CM 加工表面残余应力为拉应力。关键词：超声振动；铣削；表面粗糙度；残余应力；切削力中图分类号：V261.92文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）07-1707-08近年来，钛合金因具有质量轻、比强度好及耐腐蚀等良好性能，在航空、航天、兵器及船舶等工业生产中得到越来越广泛的应用1。然而，钛合金导热系数低、比热系数大，在机械加工过程中会产生较多的切削热，从而加剧刀具磨损，影响工件表面质量。在铣削加工钛合金时，切削速度通常低于80m/min，这限制了钛合金的加工效率2。高速超声振动铣削（high-speedultrasonicvibrationmilling,HUVM）方法是一种将电信号转换为振动信号并传输到刀具上，以实现高速下断续切削的新型铣削技术。这种加工技术提高了传统铣削加工时的速度限制，可以降低切削力和切削温度，减少刀具磨损。国内外科研人员对超声振动切削钛合金进行了大量的研究3-7。Cakir 等8基于有限元法进行超声振动切削 Ti6Al4V 模拟实验，研究结果表明：超声振动辅助切削技术可以有效降低切削力和切削温度，并且使加工工件表面有着较好的表面粗糙度。张翔宇等9在刀具进给方向上施加超声振动，与普通切削加工相比，切削力有所降低，切削效率得到提高。Zheng 等10研究了超声振动铣削表面残余应力的变化规律，与普通铣削(conventionalmilling，CM)相比，超声振动铣削加工工件表面残余压应力较高。武民11研究了振幅、频率及冷却润滑方式对钛合金铣削表面粗糙度的影响规律。研究结果表明，采用较小的振幅、微量润滑可以获得较小的加工表面粗糙度。李世永12通过有限元仿真的方法研究了超声扭转振动铣削钛合金时振动频率、振幅、切削速度对加工表面残余应力的影响。超声振动频率增加，已加工表面的残余拉应力减小；超声振幅增加会导致表面残余拉应力减小并会产生向压应力转变的趋势；切削速度增大，表面残余拉应力增加。尽管已经进行了较多关于超声振动铣削钛合金方面的研究，但目前为止大多数研究集中于较低收稿日期：2021-09-16；录用日期：2021-11-05；网络出版时间：2022-01-1820：42网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（7）：1707-1714.HAN X，SUN Z F，GENG D X，et al.Experiment research on high-speed ultrasonic vibration milling of titanium alloyJ.Journal ofBeijing University of Aeronautics and Astronautics，2023，49（7）：1707-1714（in Chinese）.2023年7月北京航空航天大学学报July2023第49卷第7期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.7切削速度范围内。因此，本文将高速超声振动技术引入钛合金铣削加工中，通过优化铣削参数来提高铣削加工质量和效率。首先从运动学角度出发分析 HUVM 断续切削原理。通过搭建 HUVM 实验平台，进行单因素实验对比研究了 CM 和 HUVM 这2 种不同方法下每齿进给量和切削速度对加工表面质量和切削力的影响规律，从而为提高钛合金加工表面质量和加工效率提供新的工艺方法和工艺参数指导。1高速超声振动铣削运动学分析HUVM 加工是在刀具上附加超声椭圆振动，使铣刀保持进给方向运动，并且附加椭圆旋转运动，从而实现铣刀对工件的分离断续切削。如图 1 所示，铣刀进给方向为 x 轴，刀具旋转轴线为 z 轴，建立直角坐标系。刀尖运动过程可以分解为 3 部分，分别是绕主轴旋转运动、进给运动及椭圆旋转运动。在图 1 所示的直角坐标系中，建立刀尖轨迹运动方程:x=Vft60+D2cosit+AcosztcosBsinztsiny=D2cosit+Acosztsin+Bsinztcosz=0z=2f=it（1）式中：Vf为进给速度；D 为铣刀直径；A 和 B 分别为超声振动长轴和短轴振幅；i为主轴旋转角速度；为刀具转过的角度；f 为超声振动频率。第 m 个刀尖运动轨迹方程为x=Vft60+D2cos(it(m1)2)+Acos(zt(m1)2)cosBsin(zt(m1)2)siny=D2sin(it(m1)2)+Acos(zt(m1)2)sin+Bsin(zt(m1)2)cosz=0z=2f=itm=1,2,3,4（2）当 D=12mm，A=15m，B=10m，Vf=60m/min，f=17880Hz，fz=0.015mm/齿（fz为每齿进给量）时，通过 MATLAB 软件获得的 HUVM 刀尖运动轨迹如图 2 所示。HUVM 刀尖运动轨迹不再是单一的等距螺旋曲线，而是“波动式”螺旋切削，切削刃与工件表面不断重复进行接触、切削和分离。在局部放大图中可以看出，铣刀 4 个刀尖运动轨迹相互交叠，钛合金材料被断续切削加工。2实验过程为了研究 HUVM 加工方法对钛合金铣削加工的影响，搭建如图 3 所示的实验装置。实验装置主要包含 3 部分：超声振动系统、立式加工系统和测量系统。实验所用的钛合金尺寸为200mm120mm60mm，钛合金化学成分如表 1 所示13。本次实验不使用切削液。铣刀直径为 12mm，是标准的四刃硬质合金立铣刀。实验中，对切削力、表面粗糙度和表面残余应力等进行检测。采用 WykoNT9300 型白光干涉仪顺时针旋转顺时针旋转铣刀椭圆振动轨迹3214已加工表面工件进给方向分离切削区当前刀尖运动轨迹进给方向yyzxxOTaeap图1HUVM 加工过程示意图Fig.1SchematicofHUVMprocess4.04.14.24.3x/mmx/mm4.44.5y/mmy/mm4.504.454.404.354.304.254.204.154.104.052.02.53.03.54.04.55.05.56.06.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51号切削刃2号切削刃3号切削刃4号切削刃1号切削刃2号切削刃3号切削刃4号切削刃图2铣刀 4 个刀齿运动轨迹Fig.2Motiontraceoffourcutterteeth1708北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年对表面微观形貌进行观察，同时每个试样取 3 个不同位置测量表面粗糙度并取平均值。使用 Dino-LitePro 手持式显微镜对加工表面放大 200 倍后的表面形貌进行观察。采用 Xstress3000 型 X 射线应力分析仪测量工件表面的残余应力，每个试样选取3 个不同位置进行测量并取平均值，在测量前需要进行校准来控制误差，管电压采用 30kV，管电流采用 25mA，靶材为 Cu 耙，K 辐射 Ni 滤波片。切削力由 Kistler9257B 测力仪采集，采样频率为 5kHz，测量范围15kN，精度为 0.01N。为了研究每齿进给量和切削速度对加工钛合金时表面质量与切削力的影响规律，设置单因素实验，实验参数设置如表 2 所示。首先，保持其他参数不变，切削速度为 80m/min,研究每齿进给量对表面质量和切削力的影响规律，设置每齿进给量分别为 0.015,0.03,0.045,0.06,0.075,0.09,0.105,0.12，0.135mm/齿。然后，研究切削速度对表面质量和切削力的影响，每齿进给量为 0.015mm/齿，设置切削速度分别为 100,120,140，160m/min。每组参数均进行 CM 和 HUVM 对比实验。超声振动频率为17880Hz，超声振动幅值分别为 15.8m 和 13.6m，在实验设计调试换能器阶段，已经对换能器在特定负载下的频率与振幅进行实时采集，保证在实验最大载荷内，所设计的换能器的谐振基本是稳定的。此外，实验中所使用的非接触式感应供电超声振动系统具有实时调频功能模块，该模块可以实时检测振动系统的频率漂移，并根据谐振状态适时调整超声频率，以保证振幅最大量输出。实验中轴向力与扭矩较小，因此，可以判断换能器谐振在加工过程中是基本稳定的。3结果与讨论3.1切削力图 4 为测力仪测得的三向切削力信号，切削速度 vf=120m/min、每齿进给量 fz=0.015mm/齿、轴向切深为 8mm、径向切宽为 2mm。从图 4 可以看出，进给力和切向力主要位于负半轴上，这意味着测力仪获得的数值与测力仪默认正方向相反，因此，在随后的讨论中只考虑切削力绝对值。在切削加工过程切削力经历了 4 个阶段的变化：切入阶段、CM 稳定阶段、HUVM 稳定阶段和切出阶段。在切入阶段，铣刀侧刃与工件快速接触，3 个方向的切削力数值从 0 增加到某值后，达到 CM 稳定阶段。之后，打开超声电源，使切削加工进入 HUVM 过程，这时切削力产生了明显变化。刀具沿着进给方向继续运动，并逐渐与工件分离，切削力迅速降至 0，这是切出阶段。在钛合金加工过程中，超声椭圆振动辅助加工对铣削力有明显的影响，进给力下降约 35%，切向力下降约 25%，轴向力最小，下降约 22%。为了研究切削速度对铣削钛合金时切削力的影响，保持每齿进给量为 0.015mm/齿不变，设置切削速度不同的 4 组参数，切削速度分别为 100，120，140，160m/min。在稳定铣削阶段平均切削力随切削速度的变化如图 5 所示。从图 5 中可以看出，无论是 CM 加工还是 HUVM加工，随着切削速度的增大，进给力和切向力先减小后增大。在相同的切削参数下，HUVM 加工可以显著降低切削力。对于 HUVM 加工而言，当切削速度时 120m/min 时，切削力下降最为显著，在进给力和切向力分别下降了 35.3%和 35.2%。HUVM 加工的断续切削特性使切削力转变为脉冲力，刀具与工件是一种周期性接触、分离的加工模式，这种分离机制有效降低了平均切削力。为了研究每齿进给量对切削力的影响，设置每齿进给量分别为 0.015，0.03，0.045，0.06，0.075，0.09，刀柄刀具工件夹具测力仪工作台信号放大器 信号分析超声电源zxy图3实验装置Fig.3Experimentalsetup表1钛合金化学成分13Table1Chemicalcompositionoftitaniumalloy13元素AlVFeCNHOTi占比/%5.56.75 3.54.5 0.25 0.08 0.05 0.01 0.2余量表2实验参数设置Table2Experimentalparametersettings参数数值每齿进给量fz/(mm齿1)0.015,0.03,0.045,0.06,0.075,0.09,0.105,0.12,0.135切削速度v/(mmin1)80,100,120,140,160径向切宽/mm0.2轴向