超聲橢圓振動與微量潤滑耦合切削Inconel718 的性能研究

杭 華, 林靖朋

(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

鎳基高溫合金具有優異的高溫強度、化學穩定性、耐腐蝕、抗熱震等性能,廣泛應用于航空航天、能源化工、燃氣輪機、火箭發動機、核反應堆等領域［1］。 鎳基合金在金屬加工中屬于難加工材料。Inconel718 常規車削工藝存在的主要問題是切削力大、切削溫度高,會加劇刀具的磨損,從而降低了加工質量［2］。

超聲橢圓振動車削Inconel718 可以降低切削力和溫度,提高工件表面質量,延長刀具和工件的使用壽命［3］。 超聲振動車削(UEV)是在普通車削加工的基礎上,在一個方向或多個方向上,施加頻率超過20 kHz 的周期振動加工技術。

綠色制造和可持續發展已經成為機械制造行業的主要發展趨勢。 如何在確保加工的質量的同時減少切削液的危害,已成為當前國內外機械制造行業所面臨解決的一大難題［4］。 目前,在金屬切削領域有許多冷卻和潤滑方法,如液氮冷卻、低溫冷卻、空氣冷卻、噴霧冷卻和微量潤滑(MQL)［5］。 微量潤滑加工是指在金屬加工過程中使用非常少量的切削液,一般為100 mL／h 或者更少,其用量約為傳統濕切削的萬分之一［6］微量潤滑可以大幅降低切削液的用量,在很大程度上降低了對環境的危害。

本文研究了在微量潤滑和超聲橢圓振動耦合條件下車削Inconel718 的性能優化。

1 超聲橢圓振動切削模型

超聲橢圓振動切削中的刀尖軌跡如圖1 所示。在這個過程中, 刀具在X、Y 方向上被施加超聲振動,進而運動合成為超聲橢圓振動。 刀具振動的軌跡可以表示為

式中,A、B 分別是X、Y 兩個方向的振幅；fx、fy是兩個方向的振動頻率；t 是時間；Tx、Ty是兩個方向的初始角度。

刀尖相對于工件的運動速度可以表示為

當刀具在切削方向上的最大振動速度大于進給速度(v′x＞0) 時,刀具會與切屑和工件分離,從而降低了切削溫度和切削力。

圖1 超聲橢圓振動切削原理圖Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic elliptical vibration cutting

2 實驗設計

仿真實驗如圖 2 所示, 工件材料選擇Inconel718,刀具選擇前角11°和后角10°的CBN 刀具。 實驗參數設置為切削速度(25 m／min)、進給速度(0.005 mm／r)、背吃刀量(0.005 mm)。 刀具的振動頻率為40 kHz。 振幅在X 方向上為7 μm,在Y 方向上為7.5 μm。 MQL 的冷卻劑量為50 mL／h。 實驗為多次實驗結果取平均值。

圖2 仿真實驗Fig. 2 Simulation experiment

3 結果與討論

3.1 切削溫度

當開始金屬切削時,車削狀態的不穩定,振動的能量反而會使得加工區域的溫度上升。 在車削狀態不穩定時,切削溫度為TUEC＞TCT＞TUEC＋MQL,其中UEC 表示超聲橢圓振動切削,CT 表示常規切削,UEC＋MQL 表示超聲橢圓振動和微量潤滑耦合切削。

當切削狀態穩定時,3 種加工條件下的溫度對比如圖3 所示,為一個振動周期的溫度變化。 振動切削的溫度呈周期性變化。 與常規切削相比,其他兩種加工方法的溫度優化效果很明顯,超聲橢圓振動切削時的溫度降低約10.8%,超聲橢圓振動和微量潤滑耦合切削時的溫度降低約15.7%。

圖3 三種加工條件的溫度對比Fig. 3 Temperature comparison of three processing conditions

3.2 切削力對比

在切削達到穩態后,切削力的變化如圖4 所示。圖4(b)、4(c)表明,由于刀具的振動,切削力會呈現周期性變化。

圖4 3 種加工條件的切削力對比Fig. 4 Comparison of cutting forces of three processing conditions

當刀具在切削方向上的最大振動速度大于刀具進給速度時,刀具與切屑和工件分離,使得切削力迅速下降。 由于振動,主切削力和推力先減小后增大。當振動頻率從0 增加到40 kHz,切削速度穩定在25 m／min 時,與常規切削相比較,超聲橢圓振動切削的主切削力會降低61.5%、推力會降低73.9%；超聲橢圓振動和微量潤滑耦合切削的主切削力降低67.6%、推力會降低79.4%。

3.3 切削應力

3 種加工條件下的應力分布如圖5 所示,5(a)、5(b)為常規切削,5(c)、5(d)為超聲橢圓振動切削,5(e)、5(f)為超聲橢圓振動和微量潤滑耦合切。 其中,圖5(a)、5(b)為常規切削過程,切屑形狀變化劇烈且連續不斷,局部應力增大且無法釋放,導致在刀尖及剪切面附近應力集中嚴重。 在超聲橢圓振動切削加工中,當刀具與切屑和工件分離時,應力分布明顯減小,在與微量潤滑耦合后,應力分布范圍更小；當刀具開始切削工件時,刀具上的應力主要集中在前刀面和后刀面,刀尖處的應力相對較小。 這種現象有利于減少刀尖的破損,增加刀具的使用壽命。

圖5 應力分布Fig. 5 Stress distribution

4 結束語

在切削Inconel718 時,與常規切削相比,超聲橢圓振動切削和超聲橢圓振動微量潤滑耦合切削會較好的優化切削性能,提高加工質量。 在切削溫度方面,超聲橢圓振動切削時的溫度降低約10.8%,超聲橢圓振動和微量潤滑耦合切削時的溫度降低約15.7%；在切削力方面,超聲橢圓振動切削的主切削力會降低61.5%、推力會降低73.9%；超聲橢圓振動和微量潤滑耦合切削的主切削力降低67.6%、推力會降低79.4%；在切削應力分布方面,超聲橢圓振動及其與微量潤滑耦合切削,會減少應力分布范圍,降低應力集中,且會延長刀頭的使用壽命。