鈦合金薄壁件高速超聲橢圓振動(dòng)銑削機(jī)理和試驗(yàn)

張明亮，張德遠(yuǎn)，劉佳佳，高澤，韓雄

（1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100083； 2.北京航空航天大學(xué) 沈元榮譽(yù)學(xué)院，北京100083；3.北京航空航天大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京100083；4.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都610073）

鈦合金具有較好的耐熱性和耐腐蝕性，以及較高的比強(qiáng)度，尤其是在高溫（300～400℃）條件下可保持這種特性，因此鈦合金得到了廣泛應(yīng)用，已成為航空航天工程領(lǐng)域中較為重要的材料之一［1-5］。

為了保證零件的可靠性及使用性能，鈦合金薄壁件對(duì)已加工表面質(zhì)量、加工精度及加工效率要求較高。而鈦合金薄壁件剛度較低，在加工中易導(dǎo)致變形大。目前，薄壁零件加工變形的研究集中于在線數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)、適當(dāng)分配加工余量等輔助措施［6-7］，或是改良走刀路徑、切削參數(shù)、刀具參數(shù)和改良刀具結(jié)構(gòu)等［8-9］。

超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)通過在加工工件或切削刀具上附加超聲橢圓振動(dòng)，使刀具刀尖相對(duì)于工件按橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)超聲頻斷續(xù)振動(dòng)切削［10-11］。與普通切削相比，超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)的“分離特性”可使工件與刀尖分離，打開切削區(qū)，降低平均切削力，此時(shí)切削液可進(jìn)入內(nèi)部切削區(qū)，從而對(duì)切削區(qū)進(jìn)行冷卻，降低切削溫度，改善刀具磨損并有效延長(zhǎng)刀具壽命［12-16］。超聲振動(dòng)軌跡分離時(shí)，存在臨界切削速度［17-18］。高速超聲振動(dòng)切削的提出打破了臨界切削速度的限制，有助于提升加工效率［19］。

本文將高速超聲橢圓振動(dòng)應(yīng)用于銑削加工過程中，來解決鈦合金薄壁件加工中的質(zhì)量與效率問題，分析了其分離原理，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證其在薄壁加工中的效果。與普通銑削加工對(duì)比，在一定工藝參數(shù)下，高速超聲振動(dòng)銑削能夠有效降低鈦合金薄壁件讓刀量和已加工表面粗糙度。

1 高速超聲橢圓振動(dòng)銑削機(jī)理分析

超聲橢圓振動(dòng)切削的特點(diǎn)是切削刀具刀尖相對(duì)工件按照橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)工件進(jìn)行超聲頻斷續(xù)切削。超聲橢圓振動(dòng)銑削加工過程中，銑刀隨著主軸產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，亦在進(jìn)行超聲橢圓振動(dòng)［20-21］；即銑刀的刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡是由以上3種運(yùn)動(dòng)合成，如圖1所示。以刀具回轉(zhuǎn)軸為z軸，x、y所在平面垂直于z軸且三坐標(biāo)軸相互垂直建立直角坐標(biāo)系。

圖1 試驗(yàn)用工件坐標(biāo)軸Fig.1 Workpiece axis for experiment

以圖1中坐標(biāo)系為基準(zhǔn)建立刀尖軌跡方程。工件如圖1所示，工件高度H遠(yuǎn)大于其厚度b。超聲橢圓振動(dòng)銑削運(yùn)動(dòng)過程中，銑刀刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡是由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和超聲橢圓振動(dòng)這3種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成，所以超聲橢圓振動(dòng)銑削單個(gè)刀尖上任意一點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡為

第m個(gè)刀尖上P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為式中：D為銑刀的直徑；Vf為進(jìn)給速度；ωz為橢圓振動(dòng)的角速度，ωz＝2πf，f為超聲振動(dòng)頻率；α為銑刀轉(zhuǎn)過的角度，α＝ωit；ωi為主軸的回轉(zhuǎn)角速度；A、B分別為超聲橢圓振動(dòng)軌跡在橢圓長(zhǎng)軸和短軸2個(gè)方向上的振幅。

對(duì)于超聲橢圓振動(dòng)切削，有兩種切削情況：一種是低速超聲橢圓振動(dòng)切削，即切削速度小于臨界切削速度（VL＝2πAf），每個(gè)刀尖切削過程中進(jìn)行高頻橢圓運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高頻斷續(xù)切削；另一種即高速超聲橢圓振動(dòng)切削，即切削速度大于臨界切削速度VL，刀尖的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡被拉開，此切削過程要實(shí)現(xiàn)分離需要借助每齒之間運(yùn)動(dòng)軌跡的相位差、振幅以及每齒進(jìn)給量等因素。

對(duì)于傳統(tǒng)超聲加工來說，當(dāng)切削速度大于臨界切削速度時(shí)，超聲振動(dòng)切削由斷續(xù)切削變?yōu)檫B續(xù)切削，要實(shí)現(xiàn)刀具與工件的高頻斷續(xù)切削的條件更為苛刻，對(duì)于低速橢圓超聲來說，只需滿足每齒進(jìn)給fz≤A＋B，即可實(shí)現(xiàn)刀尖與工件之間的高頻斷續(xù)分離切削，較為容易實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于高速超聲而言，要實(shí)現(xiàn)刀尖與工件之間的高頻斷續(xù)分離切削的條件不僅要考慮到每齒進(jìn)給量與振幅的關(guān)系，還要考慮每齒之間的相位差的關(guān)系，換言之，高速超聲斷續(xù)銑削的實(shí)現(xiàn)，是依靠每齒進(jìn)給、振幅以及相鄰齒之間相位差的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的。

低速情況下每個(gè)齒的切削自身都帶有分離，而高速橢圓振動(dòng)銑削是依靠相鄰齒之間的表面輪廓的疊加實(shí)現(xiàn)分離的，如圖2所示，選取單個(gè)刀齒切削弧上一部分進(jìn)行分析。工件表面輪廓是4個(gè)齒的刀尖軌跡形成的包絡(luò)線，后3個(gè)齒的工件表面去除量都不同，也即每個(gè)刀齒的空切時(shí)間都不同，最終工件表面形成如黃色曲線的表面形貌。

為了便于觀察分析第2個(gè)刀齒的切削機(jī)理（側(cè)銑），如圖2所示，對(duì)于第2齒單個(gè)橢圓振動(dòng)切削周期（A1—A2）可分為4個(gè)階段：①A1—B階段為空切階段，此階段切削力為零，刀尖逐漸向工件靠近，在B點(diǎn)處開始切入工件。②B—C階段為切入階段，該階段從B點(diǎn)開始逐漸切入工件，刀具對(duì)工件開始進(jìn)行切削，同時(shí)切削由厚變薄，相當(dāng)于低速橢圓振動(dòng)銑削的切入階段，并且符合順銑的特點(diǎn)。③C—D階段為切出階段，切削過程中切屑與前刀面產(chǎn)生的摩擦力方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，可以促進(jìn)切屑的流出，前刀面摩擦力方向反轉(zhuǎn)特性，使前刀面上產(chǎn)生積屑瘤的可能性大大降低，保證了刀具的鋒利程度，降低了切削力，提高了刀具耐用度。④D—A2階段為分離階段，該階段銑刀刀尖與工件分離，切削力為零；該階段切削區(qū)完全打開，切削液能夠順利進(jìn)入切削區(qū)，使銑刀刀刃和工件得到充分冷卻，切削溫度得到大幅度降低，加工精度提高，有助于提升刀具切削性能。

圖2 刀尖軌跡分離情況Fig.2 Tool tip trajectory separation

則由進(jìn)給造成的振動(dòng)周期差值為

式中：V為刀尖切削速度。

相鄰兩齒的振動(dòng)周期差值為

如圖2易知，只要相鄰兩齒相差的周期數(shù)ω＝ω1＋ω2＋ω3即可，常數(shù)ω＝（0，1），都可以在加工過程中產(chǎn)生分離。

同時(shí)，在刀具轉(zhuǎn)過任意α后，刀尖N點(diǎn)法向切削厚度h＝fzcosα＜A＋B，本試驗(yàn)中A＋B＝16.4μm，fz＜A＋B可保證刀具旋轉(zhuǎn)一周中都有分離。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖3 鈦合金薄壁件高速超聲橢圓振動(dòng)銑削試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 High-speed ultrasonic elliptical vibration milling experiment system for thin-walled titanium alloy workpiece

為驗(yàn)證高速超聲橢圓振動(dòng)銑削在薄壁側(cè)銑加工中的效果，設(shè)計(jì)了如圖3所示的試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由加工中心、工件、超聲振動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)用加工中心為BV100立式加工中心。試驗(yàn)工件為鈦合金（Ti-6Al-4V）薄壁件，尺寸為70mm（長(zhǎng)）×3.5mm（厚）×60mm（高）。工件固定在Kistler 9254測(cè)力儀上方，試驗(yàn)過程中可以直接采集力數(shù)據(jù)，測(cè)力儀固定于加工中心工作臺(tái)。超聲振動(dòng)系統(tǒng)由超聲電源、銑削換能器組成，換能器變幅桿末端是直徑為12mm的標(biāo)準(zhǔn)四刃硬質(zhì)合金銑刀，采用微量潤(rùn)滑進(jìn)行冷卻，在銑削過程中機(jī)床開啟主軸中心氣冷，超聲銑削換能器在氣冷條件下能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文所提的高速超聲橢圓振動(dòng)銑削方法主要針對(duì)精密切削加工，在進(jìn)行高速超聲橢圓振動(dòng)銑削試驗(yàn)時(shí)，超聲橢圓振動(dòng)銑削刀柄的具體振動(dòng)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：銑刀加工位置為薄壁件側(cè)壁，為了準(zhǔn)確測(cè)量2種切削方法的平均切削力并考慮減小讓刀等因素，普通切削和高速超聲橢圓振動(dòng)銑削的切削力在一次切削走刀中完成測(cè)量。在試驗(yàn)過程中先進(jìn)行普通銑削的切削力測(cè)量，等采集穩(wěn)定信號(hào)之后再開啟超聲電源，轉(zhuǎn)換為高速超聲橢圓振動(dòng)銑削，直到采集到穩(wěn)定的切削力信號(hào)。

目前，常用鈦合金銑削切削速度為60～80m／m in。超聲橢圓振動(dòng)銑削的臨界切削速度為：VL＝2πAf＝2π×8.6×17 880≈58m／min，本試驗(yàn)高速超聲橢圓振動(dòng)銑削使用更高切削速度，具體參數(shù)如表2所示。其中切削速度V＝nπD，即試驗(yàn)中切削速度的變化通過改變機(jī)床轉(zhuǎn)速。

表1 超聲橢圓振動(dòng)銑削實(shí)現(xiàn)振動(dòng)參數(shù)Tab le 1 V ibration param eters of u ltrasonic elliptical vibration m illing

表2 加工參數(shù)Tab le 2 Processing param eters

2.3 試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量

本試驗(yàn)主要觀測(cè)加工后讓刀量和表面粗糙度，試驗(yàn)過程中測(cè)量切削力。讓刀量通過螺旋測(cè)微儀測(cè)量加工后表面剩余厚度來衡量，螺旋測(cè)微儀型號(hào)為日本三豐量具mitutoyo，測(cè)量精度為0.001mm，測(cè)量區(qū)域?yàn)橹睆?mm的圓形，對(duì)高速超聲橢圓振動(dòng)銑削入刀位置中心和普通銑削出刀位置中心進(jìn)行測(cè)量，兩位置關(guān)于整個(gè)薄壁對(duì)稱，以便減少其他因素干擾。

表面粗糙度使用Tylor Hobso粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為0.001μm，測(cè)量3次取平均值，作為試驗(yàn)最后測(cè)量結(jié)果。為完整表征表面形貌，使用掃描電子顯微鏡（SEM），型號(hào)為JSM 6010，分別對(duì)高速超聲橢圓振動(dòng)銑削與普通銑削的表面形貌作對(duì)比。

試驗(yàn)過程中的切削力通過Kistler 9254測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍為0～20 kN，精度為0.01 N。測(cè)力儀采樣頻率設(shè)定為50000Hz，可對(duì)x、y、z及其復(fù)合的多方向力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 讓刀量

鈦合金薄壁件精銑加工中，影響銑削精度的一個(gè)主要因素是在銑削過程中工件產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致實(shí)際切削深度小于理論值。在切寬0.2mm，切深5mm，每齒進(jìn)給0.015mm時(shí)，已加工表面讓刀量隨切削速度變化如圖4所示。

隨著切削速度的增大，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削與普通銑削2種形式的加工讓刀量都呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但是在此過程中，超聲橢圓振動(dòng)銑削的讓刀量始終小于普通銑削的讓刀量，降幅在20% ～30%之間，這很大程度上提高了鈦合金薄壁件銑削的加工精度。

鈦合金薄壁件相對(duì)于硬質(zhì)合金銑刀來講屬于弱剛性零件，所以本文在模擬實(shí)際加工中薄壁件的讓刀時(shí)采用如圖5所示的模型。普通銑側(cè)面時(shí)，刀具整體受力可以簡(jiǎn)化為切削反力Fy和切深抗力Fx，由圖可知影響讓刀的切削力主要是Fx，即在切深抗力Fx作用下，產(chǎn)生讓刀誤差。

圖4 讓刀量隨切削速度變化曲線Fig.4 Curves of relieving amount varying with cutting speed

高速超聲橢圓振動(dòng)銑削能夠消除讓刀量、提高銑削精度的原因主要有瞬間局部高能切削和大幅度降低銑削力兩方面。

隨著切削速度的增大，切削力成逐漸減小的趨勢(shì)，相比普通銑削，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削在x、y兩個(gè)方向的切削力都有明顯下降；針對(duì)鈦合金側(cè)銑，主切削力是x方向的Fx，F(xiàn)x大小直接影響刀具壽命和薄壁件銑削精度。由圖6可以看出，隨著切削速度V的增大，切削力逐漸減小，在此過程中，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削方式在Fx方向的切削力始終低于普通銑削方式在Fx方向的切削力，下降20% ～30%，這對(duì)于鈦合金薄壁件的高速銑削具備優(yōu)勢(shì)。

圖5 薄壁件切削讓刀模型Fig.5 Model of relieving amount for milling thin-walled workpiece

圖6 切削力隨切削速度變化曲線Fig.6 Curves of cutting force varying with cutting speed

在薄壁件加工中，讓刀量主要受切削力影響，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削分離機(jī)制帶來的斷續(xù)切削可以有效降低加工過程中的平均力，進(jìn)而降低讓刀量。

3.2 表面粗糙度

在切寬0.2mm，切深5mm，每齒進(jìn)給0.015mm時(shí)，已加工表面粗糙度值隨切削速度變化如圖7所示。

在固定其他參數(shù)不變時(shí)，切削速度逐步提高，由于鈦合金薄壁件剛性不足且材料回彈大，高速小進(jìn)給銑削過程中易導(dǎo)致顫振，普通加工與高速超聲橢圓振動(dòng)加工的表面粗糙度也都隨之有小幅提高，在0.59～0.83μm中變化，從圖7中可以看出，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削在試驗(yàn)參數(shù)下能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)表面粗糙度值下降。

采用SEM拍攝已加工表面形貌如圖8所示，可以觀察到普通銑削表面每一齒切過的痕跡清晰明顯，整個(gè)表面由多個(gè)單齒加工形成的圓弧組成，而高速超聲橢圓振動(dòng)銑削表面，每齒加工過程中都形成了均勻致密的更為微細(xì)的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步放大觀察，如圖9所示，在普通銑削表面會(huì)有鱗刺缺陷，這些缺陷導(dǎo)致粗糙度值得增大。而高速超聲橢圓振動(dòng)銑削表面留有超聲頻沖擊產(chǎn)生的均一致密的紋理，無明顯表面缺陷，從微觀上驗(yàn)證了高速超聲橢圓振動(dòng)銑削的精密性。

通過已加工表面形貌可以發(fā)現(xiàn)：高速超聲橢圓振動(dòng)銑削依靠相鄰齒之間表面輪廓的疊加實(shí)現(xiàn)分離，使得每次刀尖切削鈦合金過程中去除量更小，會(huì)形成規(guī)律致密的表面紋理，且均勻分布，沒有明顯的缺陷，一定程度上使表面粗糙度值降低。

圖7 表面粗糙度隨切削速度變化曲線Fig.7 Curves of surface roughness varying with cutting speed

圖8 試驗(yàn)工件表面形貌Fig.8 Surface topography of workpiece

圖9 試驗(yàn)工件件微觀形貌Fig.9 M icro-topography of workpiece

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用自行研制的超聲橢圓振動(dòng)銑削刀柄裝置進(jìn)行了鈦合金薄壁件高速超聲橢圓振動(dòng)銑削加工精度與表面加工質(zhì)量的試驗(yàn)研究，結(jié)合高速超聲橢圓振動(dòng)銑削原理和試驗(yàn)結(jié)果得到以下主要結(jié)論：

1）高速超聲橢圓振動(dòng)銑削加工突破傳統(tǒng)超聲振動(dòng)銑削加工對(duì)臨界速度的限制，擴(kuò)大了超聲振動(dòng)銑削的應(yīng)用范圍。銑削是機(jī)加工中應(yīng)用最為廣泛的加工方式，將高速超聲理念與銑削結(jié)合，擴(kuò)寬了高速超聲理念的應(yīng)用領(lǐng)域。

2）相比于普通銑削，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削過程中薄壁件所受到的切削力更小，降幅20% ～30%，同時(shí)讓刀量下降20% ～30%，有助于提升薄壁件的加工精度。

3）相比于普通銑削，高速超聲橢圓振動(dòng)銑削能夠改善加工表面缺陷，降低加工表面粗糙度。