鈦合金超聲振動輔助鉆削有限元仿真中不同刀具幾何的評價

杭 華，王 鵬

（1. 柏宜照明（上海）股份有限公司，上海 201712；2. 上海工程技術大學，上海 201620）

0 引言

隨著科學技術的發展，航空航天、汽車電子、船舶、化工、儀表等制造行業，對各種機械零件加工精度和表面質量的要求越來越高。同時，隨著新型材料不斷出現，不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金及復合材料等各種難加工材料在機械制造中被廣泛采用，對切削加工提出更高的要求[1]。

孔加工在金屬切削加工中占有重要地位。孔加工總切除量占金屬切削加工的三分之一，鉆頭總產量占總刀具的百分之六十[2]。目前，世界每年消耗的各類鉆頭數以億計，鉆頭的應用不只局限在機械行業，鉆削工藝在生物化工器械、醫療手術儀器、測量勘測設備等領域得到廣泛應用。

鈦是一種相對較輕的金屬，鈦的另一個優點是在相對較高的溫度下也能保持穩定[3]。鈦合金因具有高的強度重量比和耐高溫腐蝕，已應用于飛機發動機壓氣機段、發動機罩、排氣裝置等零件的制造[4]。由于Ti6Al4V高強度等性能屬于難加工材料。同時，因其低導熱性和易磨損性，Ti6Al4V通常以較低的切削速度和進給量加工，導致加工效率低下[5]。Ti6Al4V斷屑性能差，切屑容易纏繞在刀具及工件之上，影響工件加工表面質量，易造成刀具破損或磨損[6]。因此，斷屑控制得到重點關注，為了提高切削加工生產效率，必須控制切屑形態，斷屑問題已成為急待解決的難題[7]。

針對鈦合金傳統鉆削過程中難加工問題，本文擬利用Deform-3D有限元仿真技術，對超聲振動輔助鉆削的切削力、等效應力及切屑溫度進行分析，探索其切削力、等效應力和切削溫度等切削性能，研究并完善超聲振動輔助鉆削鈦合金加工機理。

1 超聲振動輔助鉆削原理

超聲振動輔助鉆削中的振動系統主要包括：超聲發生器，換能器，變幅桿等裝置。超聲發生器在超聲振動切削過程中，它的功能是將50赫茲的交流電轉換成通過一定功率輸出的超聲電振蕩提供振動能量的裝置。換能器的作用是將發生器產生的超聲頻電振蕩信號轉換為機械振動[8]。超聲變幅桿又稱超聲變速桿或超聲聚能器，是超聲振動振動系統中一個不可或缺的組成部分[9]。

超聲振動輔助鉆削是在普通鉆削的基礎上增加一個周期性的振動，使切削用量按某種規律變化，以達到改善切削效能的一種新穎的加工方法。在振動鉆削加工過程中，當鉆頭與工件分離時，其速度的大小和方向都在不斷地變化，這使超聲振動輔助鉆削在對難加工材料工藝的加工中，都取得了傳統鉆削工藝無法獲得的效果。

圖1 (a)超聲振動輔助鉆削原理圖(b)超聲振動輔助鉆削的刀齒運動軌跡Fig.1 (a) Ultrasonic vibration-assisted drilling schematic diagram (b) Ultrasonic vibration-assisted drilling tool tooth movement trajectory

超聲振動輔助鉆削原理如圖 1(a)所示，在超聲振動輔助鉆削過程中，頭沿其軸線旋轉并沿其軸線以高頻和小振幅振動，而鉆頭沿其軸線相對于工件進給移動。如圖 l(b)所示，在超聲振動輔助鉆削過程，刀具上每一刀齒的運動軌跡為一條帶有正弦波振動的三維螺旋曲線，其運動軌跡[10]可表示為

其中：R（mm）為刀具半徑；V（mm/r）為軸向進給速度；ω（rad/s）為旋轉角速度；t（s）為時間；A（μm）為振幅；F（Hz）為振動頻率。

2 有限元仿真模型

2.1 有限元建模

如圖2所示，采用UG設計了三種不同頂角的鉆頭。

圖2 三種不同點角鉆頭Fig.2 Three different angle drills

鉆頭1：直徑4 mm，頂角140°，螺旋角35°。主切削刃長度較短的頂角度為140°時，主切削刃產生的切削力可明顯減小。

鉆頭2：直徑4 mm，頂角118°，螺旋角35°。從切削力和背向力的角度看，120°的頂角切削效果比較好。

鉆頭3：直徑4 mm，頂角100°，螺旋角35°。由于主切削刃長度較長，頂角為100°，單位切削刃上的載荷減小，這對鉆頭的軸向穩定性是有效的，有效地提高了鉆頭的定位性能，簡化了鉆削加工。

根據表1設置切削參數，進行傳統鉆削和超聲振動輔助鉆削加工。

表1 切削參數Tab.1 Cutting parameters

2.2 材料本構模型

因為金屬切削是一個動態過程，伴隨著材料的大應變、大應變率和高溫效應。采用式（2）中的Johnson-Cook材料模型[11]來定義材料變形，Johnson-Cook模型表示為三項的乘積，分別反映了應變硬化、應變率硬化和溫度軟化[11]。

參數A，B，n，C，m為材料常系數，這些常數是在裂霍普金森棒試驗的基礎上確定的，分別為屈服應力、硬化模量、應變硬化系數、應變速率靈敏度和熱軟化。Ti6A14V的力學性能和熱性能如表2所示。

表2 Ti6A14V的材料常數Tab.2 Material constants of Ti6A14V

3 結果與分析

3.1 切削力

進給量是影響Ti6A14V鉆削的主要參數之一。不同鉆頭幾何形狀的切削力呈現不同的鉆削規律。圖3為不同鉆頭鉆削Ti6A14V時進給量和主軸轉速對推力的影響。從圖 3(a)可以看出，當主軸轉速為1000 rpm時，三種幾何鉆頭的推力隨著進給速度的增加而增大。這可能是由于進給量的增加導致未切削切屑厚度的增加，從而導致更硬的切屑形成，從而導致推力的增加。從圖 3(b)可以看出，當進給速度為0.05 mm/r時，三種幾何鉆頭的推力隨著主軸轉速的增加而增大。三種幾何鉆頭在0.05 mm/r進給速度下，UAD產生的推力分別降低了 20.10%、14.30%和18.80%。三種幾何鉆頭在1000rpm主軸轉速下UAD產生的推力分別下降16.63%、20.00%和18.20%。Pujana等人分析了Ti6Al4V的UAD，觀察到使用UAD時推力降低了10-20%[12]。這是由于在超聲振動輔助鉆削中，脈沖式超聲切削鑿邊和鉆尖處的切削刃的超聲分離切削工藝極大地提高了排屑的去除效果并降低了摩擦效果[13]。

圖3 不同進給量和主軸轉速對切削力的影響Fig.3 Influence of feed rate and spindle speed on thrust force when drilling Ti6A14V with different drills

3.2 等效應力

圖4 為三種不同鉆頭進給量為0.03 mm/r、主軸轉速為1000 rpm時，等效應力在傳統鉆削和超聲振動輔助鉆削中的分布情況。從圖 4(b1)和圖 4(b2)可以看出，鉆頭2在傳統鉆削和超聲振動輔助鉆削中最大等效應力最大，如圖 4(b1)和圖 4(b2)所示。在傳統鉆削和超聲振動輔助鉆削中，高應力始終位于主剪切帶和鑿刃擠壓帶，并隨這兩個區域的移動而變化。特別是最大等效應力出現在唇邊交點處，此時工作材料的等效應變較大，靜水壓力較原剪切帶其他部位小。同時，超聲振動輔助鉆削的最大等效應力小于傳統鉆削。

3.3 切削溫度

圖5為三種不同鉆頭在傳統鉆削和超聲振動輔助鉆削中的溫度分布。可以看出，在傳統鉆削中，最大溫度主要來自鉆頭刃口與前刀面的接觸區域之間的切割區域，而超聲振動輔助鉆削中則發生在切屑中。這可以歸因于鈦合金鉆孔過程的切削溫度主要來自于刀具鉆頭刀尖的切削刃和孔的底部。超聲振動輔助鉆削過程中由于鑿刃與切削刃以及孔底材料的周期性分離，超聲振動輔助鉆削的切削熱主要集中在切屑上。

圖4 傳統鉆削（(a1)鉆頭1；(b1)鉆頭2；(c1)鉆頭3）和超聲振動輔助鉆削（(a2)鉆頭1；(b2)鉆頭2；(c2)鉆頭3）中等效應力的分布Fig.4 The distribution of effective stresses in CD ((a1) Drill 1; (b1) Drill 2; (c1) Drill 3) and UAD((a2) Drill 1; (b2) Drill 2; c2) Drill 3) for three different drills

圖5 傳統鉆削（(a1)鉆頭1；(b1)鉆頭2；(c1)鉆頭3）和超聲振動輔助鉆削（(a2)鉆頭1；(b2)鉆頭2；(c2)鉆頭3）中溫度的分布Fig.5 The distribution of temperature in CD ((a1) Drill 1; (b1) Drill 2; (c1) Drill 3) and UAD((a2) Drill 1;(b2) Drill 2; (c2) Drill 3) for three different drills. Spindle speed 1000 rpm and feed rate 0.03 mm/r.

圖6 為不同鉆頭鉆進Ti6A14V時進給速度和主軸轉速對溫度的影響。從圖6可以看出，三種幾何鉆頭的溫度隨進給量和主軸轉速的增加而升高。同時，在三種幾何鉆頭中，超聲振動輔助鉆削的溫度低于傳統鉆削。三種幾何鉆頭在0.05 mm/r進給量下，超聲振動輔助鉆削產生的溫度分別降低了27.90%、30.00%和31.10%。在1000 rpm主軸轉速下，三種幾何鉆頭超聲振動輔助鉆削產生的溫度分別下降了 7.74%、9.72%和 12.91%。其原因可能是在超聲振動輔助鉆削的每個循環中，鉆具與切屑分離，這種間歇運動導致鉆具與切屑之間的總傳熱時間減少[14]。

圖6 不同進給量和主軸轉速對溫度的影響Fig.6 Influence of feed rate and spindle speed on temperature when drilling Ti6A14V with different drills

4 結論

（1）在傳統鉆削和超聲振動輔助鉆削中，結果的誤差率大約在3%到7%之間。仿真結果與試驗結果吻合較好，說明有限元法是準確的。

（2）與傳統鉆削相比，超聲振動輔助鉆削的切削力平均下降13-22%，提高了鉆削能力。在傳統鉆削和超聲振動輔助鉆削中，由于切削阻力的增加，切削力隨鉆頭的頂角的增大而增大。

（3）最大溫度主要來自于傳統鉆削中鉆頭刃口與前刀面的接觸區域之間的切削區，超聲振動輔助鉆削中則發生在切屑中。與傳統鉆削相比，超聲振動輔助鉆削中的溫度平均下降了 7-15%，這是由于鉆頭和切屑之間的間歇運動造成的。超聲振動輔助鉆削的最大有效應力小于傳統鉆削，可以降低刀具的磨損。超聲振動輔助鉆削中鉆頭1的最大有效應力最小。