SiCp∕Al超聲輔助擴孔微鉆削的切削特性與試驗研究

趙雪巖，董志國，軋 剛，劉建成

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024；4.美國太平洋大學，美國）

1 引言

鋁基碳化硅復合材料（SiCp∕Al）出色的綜合機械性能使其在航空航天、醫(yī)學等領域得到了廣泛的應用［1］。但由于SiCp∕Al的硬脆特性，加工時孔內壁的材料易脫落，孔出口易出現崩邊，屬于難加工材料［2?3］。隨著科技的迅速發(fā)展，對SiCp∕Al上直徑為1mm以下的高質量通孔產生大量需求［4］。而微鉆頭的剛度較低，加工時易產生形變，使得鉆削SiCp∕Al微孔變得更加困難文獻［5］通過超聲鉆削試驗發(fā)現在鉆頭上施加軸向超聲振動有利于排屑，從而提高刀具使用壽命。文獻［6?9］對超聲振動銑削鈦合金的刀具軌跡、切削機理、切屑形狀、加工表面質量以及刀具磨損等方面進行了理論分析與試驗探究，發(fā)現超聲振動銑削（UVAM）鈦合金相比傳統(tǒng)銑削可減小實際切削時間與動態(tài)切削厚度，從而減小銑削力（10～40）%、抑制刀具磨損與毛刺產生、提高表面粗糙度（10～30）%，而在超聲振動結合潤滑油汽化銑削（UVAM&MQL）工況下，可減小銑削力（30～55）%，進一步抑制刀具磨損，提高表面粗糙度（30～50）%。文獻［10］分別建立了鉆頭橫刃與主切削刃的軸向力模型，由該模型推知在鉆削時，單位長度的橫刃比單位長度的主切削刃所產生的切削力大。文獻［11］對旋轉超聲鉆削建立了數學模型，發(fā)現在同等參數情況下，超聲鉆削加工通孔時軸向力更低，產生的崩邊面積更小。

文獻［12］對K9玻璃進行超聲輔助鉆削，發(fā)現超聲輔助雖然可以有效降低平均切削力，但瞬時切削力的跳動范圍更大，當材料厚度與瞬時最大主拉應力超過某一極限值，將大幅提高孔出口崩邊的概率。文獻［13］通過鉆削有限元分析發(fā)現，崩邊裂紋方向與鉆頭進給方向所成夾角在50°左右。

研究表明，雖然超聲振動輔助鉆削可適當改善橫刃的加工環(huán)境，降低軸向切削力，但對于脆性材料而言，崩邊情況仍然嚴重，加工質量仍然較差。由于鉆削力與最大主拉應力成正相關，而橫刃產生的鉆削力較大，為在保證表面加工質量的同時減少崩邊，針對SiCp∕Al提出采用超聲輔助微鉆削擴孔的方式，來提高微小通孔的加工質量。

2 超聲微鉆削的斷續(xù)切削條件

設鉆削進給方向為z軸正方向，則鉆頭主切削刃上任意一點的軸向運動可表示為：

式中：A—振幅，μm；f—頻率，Hz；t—鉆削時間，s；zf—軸向進給位移，mm；fr—刀具每轉進給量，mm∕r；n—刀具轉速，r∕s。

設加工過程中鉆頭周向轉角為α，單位為rad，則t=α∕2πn，由此推得：

式中：k—頻率轉速之比，k=f∕n。

由于麻花鉆有兩個主切削刃，故兩切削刃之間的相位差為π，則主切削刃A的軸向運動方程為：

由于在微孔鉆削過程中，材料去除量處于微米級別，當其小于極限值hmin時，被加工表面不會產生切屑，此時將會出現犁耕效應，該過程中表面以塑性變形居多，被加工材料與刀具摩擦嚴重，產生大量切削熱，大大降低表面加工質量并導致刀具嚴重磨損。為避免該現象產生，在宏觀尺度下計算的最小切削量并不適用于微細切削領域。由于最小切削厚度一般為刃口半徑的30%左右［14］，故可得公式：

式中：ψ—最小切削厚度系數；rtool—刃口半徑。結合式（6）式（7）式可知，若ac min>hmin，則屬于連續(xù)切削，若ac min≤hmin，屬于斷續(xù)切削，進而可得微尺度效應下的斷續(xù)切削條件為：

滿足斷續(xù)切削條件下的主切削刃任意點軌跡示意圖，如圖1所示。當不滿足上述條件時，超聲輔助鉆削仍處于連續(xù)切削狀態(tài)。相比較連續(xù)切削，斷續(xù)切削更有利于切屑排出，降低軸向切削力，提高刀具散熱能力［15］。

圖1 斷續(xù)切削示意圖Fig.1 Interrupted Cutting Diagram

3 超聲擴孔微鉆削的切削特性

超聲輔助鉆削SiCp∕Al微孔時，橫刃的負前角切削使其產生的切屑排屑困難，切屑中的SiC 顆粒囤積于孔內部，在孔壁、顆粒、刀具之間相互擠壓摩擦，使刀具磨損加劇，孔壁粗糙，如圖2（a）所示。

而且主切削刃與橫刃同時切削所產生的軸向力仍然較大，假設材料為各向同性材料，當材料被加工到一定厚度，開始產生裂紋，裂紋方向與進給方向成一定角度，出現崩邊現象，隨著鉆頭的持續(xù)進給，崩邊沿裂紋箭頭方向，從中心向邊緣擴散，最終形成較大的崩邊面積，如圖3（a）所示。

采用擴孔斷續(xù)超聲鉆削時，刀具與工件周期性分離，此時橫刃不參與切削，部分主切削刃產生的微細切屑可從下方排出，可適當減少內部囤積的切屑，從而提高孔壁表面質量，減小刀具磨損，如圖2（b）所示。

圖2 排屑示意圖Fig.2 Chip Removal Diagram

而且只有主切削刃參與切削可大幅降低軸向力，從而降低主應力，使崩邊厚度發(fā)生改變，在擴孔鉆削達到崩邊厚度時，鉆頭橫刃已伸出到材料加工面之下，此時加工即將結束，因此，相比傳統(tǒng)超聲鉆削，擴孔鉆削的崩邊面積大幅度降低，如圖3（b）所示。

圖3 崩邊示意圖Fig.3 Edge Collapse Diagram

4 試驗設計

試驗所用的Haas VF?2加工中心，如圖4（a）所示。將工件固定在縱向超聲振動臺上，振動臺振動頻率20000Hz，振幅可調范圍約在（2.90～3.40）μm之間，由于其可調范圍較小，僅選擇振幅為3μm作為試驗參數，調節(jié)振幅時利用激光測振系統(tǒng)對其進行振幅測量，Kistler9119AA2測力儀安裝在超聲振動臺下，通過Edmund?USB2.0顯微鏡頭對加工過程進行實時監(jiān)控，如圖4（b）所示。

圖4 試驗平臺與測振系統(tǒng)Fig.4 Test Platform and Vibration Measurement System

試件為體分比50%，平均粒徑60μm 的SiCp∕Al，厚度2mm。為保證橫刃不參與擴孔，先采用?0.4mm麻花鉆進行通孔加工，之后在該通孔上采用?0.9mm的麻花鉆進行擴孔加工，鉆削時鉆頭輔以軸向超聲振動。將該加工工況與傳統(tǒng)鉆削、擴孔傳統(tǒng)鉆削、超聲輔助鉆削進行對比，觀察軸向力、孔壁質量以及孔出口崩邊的變化情況。切削參數與各條件下的切削狀態(tài)，如表1所示。

表1 切削參數與切削狀態(tài)Tab.1 Cutting Parameters and Cutting Status

5 試驗結果分析

5.1 切削力分析

各加工條件下的軸向切削力，如圖5所示。縱坐標為穩(wěn)定鉆削過程中軸向切削力的平均值。由圖可知，當進給一定時，傳統(tǒng)切削與擴孔切削的軸向力與轉速始終呈現負相關。而帶有超聲輔助加工的兩個工況在轉速為12000r∕min時，軸向力均出現微小的上升，且轉速從（6000～8000）r∕min過程中，軸向力的下降幅度較大。這主要是由于轉速6000r∕min連續(xù)切削條件的軸向力遠大于8000r∕min斷續(xù)切削條件的軸向力，同理從10000r∕min斷續(xù)切削條件到12000r∕min連續(xù)切削條件的軸向力反而增大。說明斷續(xù)切削可明顯降低鉆削的軸向力。超聲輔助鉆削相比傳統(tǒng)加工，軸向力平均降幅為12.06%；而沒有橫刃參與切削的擴孔超聲輔助鉆削相比擴孔傳統(tǒng)加工，軸向力平均降幅為37.50%。說明超聲輔助對主切削刃的軸向力影響較大，而對橫刃的軸向力影響較小。

圖5 各工況不同轉速下的軸向力變化Fig.5 Cutting Force Change at Different Speeds of Each Scheme

5.2 加工表面對比分析

轉速n=10000r∕min，進給f=15mm∕min 條件下四種工況的孔壁加工效果，如圖6所示。

圖6 孔壁加工效果圖Fig.6 Hole Wall Processing Effect Diagram

由圖可知，擴孔鉆削加工得到的孔壁表面相對傳統(tǒng)鉆削而言，表面更加均勻，但橫紋明顯且存在大量材料脫落情況；超聲輔助鉆削時橫紋明顯減少，但仍然存在材料脫落情況；而在擴孔超聲輔助切削工況下，表面平實，橫紋進一步減少，材料幾乎沒有出現脫落情況，表面質量大幅度提高。導致以上現象出現主要是由于：在傳統(tǒng)鉆削和擴孔鉆削時，不間斷持續(xù)切削產生過高的軸向力，孔壁上的脆性顆粒受力出現脫落現象。但由于擴孔鉆削時橫刃不參與加工，鉆頭不再有負前角切削的刀刃，此時刀具受力與扭矩都將明顯減小，從而抑制刀具形變，使得主切削刃與副切削刃鉆削更加平穩(wěn)，良好的切削環(huán)境在一定程度上減少了材料的脫落情況，所以擴孔鉆削時孔壁的質量略高于傳統(tǒng)鉆削。超聲振動輔助鉆削時，縱向的超聲振動導致副切削刃高頻率的上下運動，將主切削刃加工時產生的橫紋磨平，磨平的鋁基體對主切削刃加工孔壁時產生的坑洞進行了二次填補，從而提高了表面質量。

5.3 孔出口對比分析

n=10000r∕min，進給f=15mm∕min 條件下四種工況下的孔出口加工效果，如圖7所示。

圖7 孔出口加工效果圖Fig.7 Processing Effect of Hole Exit

由圖可知，傳統(tǒng)鉆削和超聲輔助鉆削工況下材料崩邊情況嚴重。擴孔傳統(tǒng)鉆削工況下材料崩邊情況得到改善，崩邊范圍降低，崩邊面積減小。擴孔超聲輔助鉆削時材料崩邊情況得到進一步改善。

結合軸向力分析可知，軸向力的大小直接影響到崩邊情況的嚴重程度。軸向力越大，崩邊情況越明顯。擴孔鉆削相對超聲輔助鉆削，可以在更大范圍內降低軸向力，且擴孔超聲輔助鉆削的軸向力降低幅度是擴孔和超聲輔助二者效果的加成，故軸向力最小，效果最好；這與前面分析的情況相一致。

6 結論

（1）理論分析表明，當振動頻率為20000Hz，轉速為6000r∕min或12000r∕min時，帶有超聲輔助的兩種工況未達到斷續(xù)切削條件。對這兩種工況下軸向力曲線的變化趨勢分析可知，在轉速未達到斷續(xù)切削條件時，超聲輔助對軸向力的減小能力較弱；而在達到斷續(xù)切削條件時，超聲輔助對軸向力的減小能力較強。

（2）對各工況下平均軸向力數值進行對比發(fā)現，超聲輔助鉆削相比傳統(tǒng)鉆削，軸向力平均降幅為12.06%；而沒有橫刃參與切削的擴孔超聲輔助鉆削相比擴孔傳統(tǒng)鉆削，軸向力平均降幅達到37.50%。這表明軸向超聲輔助鉆削對主切削刃所產生的軸向力降低效果強，對橫刃所產生的軸向力降低效果弱。

（3）對比孔壁的材料脫落情況與孔口的崩邊情況可知，軸向超聲輔助鉆削對孔表面加工質量的優(yōu)化能力較強，而擴孔鉆削對孔出口崩邊現象的抑制能力較強，相對其他工況，擴孔超聲輔助鉆削所得到的微孔綜合質量最高。