縱扭式超聲振動車削不銹鋼和鈦合金研究

鄭華強，徐英帥，張杰，王蓉艷，裴遠俊

(東華理工大學機械與電子工程學院，江西南昌330013)

0 前言

隨著一些難加工材料在汽車工程、航天航空和國防軍工等領域的應用需求日益增加，原有的加工方式已無法滿足其對于切削質量、加工精度以及效率的需求[1]。而超聲加工技術在提高表面質量、加工精度與延長刀具工作壽命等方面具有顯著優勢。超聲加工專用設備雖然已經在國內外生產制造，但由于其應用范圍窄且制造加工成本高，難以普及推廣。

針對以上問題，作者自行設計了縱扭超聲振動車削加工系統并且安裝在C616普通車床上，用來滿足實際超聲加工的需求。并且，將兩種難加工材料(420馬氏體不銹鋼與Ti-6Al-4V鈦合金)應用于實驗研究，重點分析了縱扭超聲加工對表面粗糙度、刀具磨損、表面形貌以及切屑形態產生的影響。

1 縱扭超聲振動車削加工系統

超聲振動車削是指在切削過程中，對工件或者刀具施加連續的高頻率微小振幅的振動，可以改變刀具、工件、切屑三者之間的接觸形式，實現完全分離式車削加工，進而達到降低切削力、提高表面質量和延長刀具工作壽命的功能。依據施加振動的方向，超聲振動車削分為：橫向超聲振動車削、縱向超聲振動車削、進給超聲振動車削和復合超聲振動車削[2]。實驗使用的縱扭振動車削屬于復合超聲振動車削的一種。

1.1 模態轉換型超聲復合變幅桿的設計

縱扭超聲振動主要是通過換能器或者變幅桿來實現的。由于換能器中扭轉振動壓電陶瓷的制造工藝較為復雜，并且加工成本比較高，針對這一問題，實驗使用模態轉換型超聲復合變幅桿。它由高頻變幅桿與模態轉換器所組成。模態轉換器的工作原理是：當變幅桿上的高頻縱向振動傳遞到螺紋槽時，會產生切向振動分量，從而產生扭轉振動，最后傳遞到刀尖上[3]。模態轉換型超聲復合變幅桿的整體外形如圖1所示。

圖1 模態轉換型超聲復合變幅桿的整體外形

在Abaqus中對所設計的模態轉換型超聲復合變幅桿進行了仿真分析。有限元模型和模態分析圖如圖2所示?？梢钥闯觯涸诘?2階模態時，變幅桿沒有產生明顯變形，且其共振頻率為20 198 Hz，接近理論值20 kHz，誤差為0.99%。

圖2 模態轉換型超聲復合變幅桿的模態分析結果

1.2 縱扭超聲振動車削加工系統的裝配

縱扭超聲振動車削加工系統主要由縱扭超聲振動系統、C616普通車床及測量系統組成[4]。縱扭超聲振動系統是其中的核心部分，它主要包括超聲波發生器、超聲換能器、模態轉換型超聲復合變幅桿、刀具等。

設計了縱扭超聲振動車削加工系統，并將其安裝在C616普通車床上，實驗裝置如圖3所示。

圖3 實驗裝置Fig.3 Experimental device

2 實驗設計

2.1 實驗條件

實驗在C616普通車床上進行，采用直徑為25 mm、長度為400 mm的圓軸類工件，工件材料分別為：420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金。

針對420馬氏體不銹鋼工件與 Ti-6Al-4V鈦合金工件的難加工性[5]，分別選用YBM251CCMT120404-HM型硬質合金刀片和YBG202CCMT120404-EF型硬質合金刀片。

實驗的測量儀器主要有：SRM系列表面粗糙度測量儀與L100/100BD工業檢測顯微鏡。

2.2 實驗參數

根據縱扭超聲車削的特點，實驗的振動頻率固定在20 kHz不變，其余的主要切削工藝參數如表1所示。

表1 切削工藝參數

3 實驗結果與分析

3.1 表面粗糙度

在C616普通車床上對420馬氏體不銹鋼與 Ti-6Al-4V鈦合金進行車削實驗，二維表面粗糙度Ra用SRM系列表面粗糙度測量儀進行檢測，每次實驗檢測5次，除掉實驗數據內的最大值與最小值，取平均值，得到表面粗糙度。

為了研究切削速度對加工工件表面粗糙度的影響，取工藝參數為：切削深度ap=0.2 mm，進給量f=0.1 mm/r，對兩種難加工材料進行車削實驗，得到兩種被加工材料的表面粗糙度Ra隨切削速度變化的折線如圖4所示。圖中CT表示普通車削，UAT表示縱扭超聲車削。

圖4 表面粗糙度隨切削速度變化的折線Fig.4 Surface roughness changed with cutting speed

由圖4容易看出：對于420馬氏體不銹鋼，普通車削的表面粗糙度隨切削速度的變大而減少，縱扭超聲車削的表面粗糙度隨切削速度的變大表現為先減小后變大的趨勢，在切削速度vc為63 m/min時，縱扭超聲切削得到的表面粗糙度基本上和普通切削相同；而對于Ti-6Al-4V鈦合金，普通車削的表面粗糙度和縱扭超聲車削的表面粗糙度整體上都有隨切削速度的變大而變大的趨勢，總體而言，縱扭超聲車削獲得的表面粗糙度要好于普通車削。

由于Ti-6Al-4V鈦合金相比于420馬氏體不銹鋼的加工硬化程度更低，所以在普通車削中Ti-6Al-4V鈦合金車削獲得的表面粗糙度好于420馬氏體不銹鋼，而在縱扭超聲車削中兩者的表面粗糙度相差不大，這是因為縱扭超聲車削改變了刀具與工件的接觸方式[6]，降低了在車削過程中加工硬化的影響。

注意到在縱扭超聲車削中，420馬氏體不銹鋼比較好的切削速度vc是35 m/min，Ti-6Al-4V鈦合金比較好的切削速度vc是16 m/min，這說明縱扭超聲切削比較適合中低速切削。為了研究切削深度對加工工件的表面粗糙度影響，取420馬氏體不銹鋼的加工工藝參數為：切削速度vc=35 m/min，進給量f=0.1 mm/r；取Ti-6Al-4V鈦合金的加工工藝參數為：切削速度vc=16 m/min，進給量f=0.1 mm/r。對兩種難加工材料進行車削實驗，得到兩種被加工材料的表面粗糙度Ra隨切削深度變化的折線如圖5所示。

由圖5容易看出：對于420馬氏體不銹鋼和Ti-6Al-4V鈦合金，普通車削的表面粗糙度與縱扭超聲車削的表面粗糙度整體上都有隨切削深度的變大而變大的趨勢?？傮w而言，縱扭超聲車削獲得的表面粗糙度要好于普通車削。

在車削過程中，切削深度和面積會增大，導致車削過程中摩擦和變形力也會增大，并且切削深度過大還有可能產生積屑瘤，這就是表面粗糙度隨切削深度變大而變大的主要原因。工件表面粗糙度增加的另一個原因就是：切削深度過大，有可能使工件表面變形[7]，進而使得表面粗糙度變大。通過加入超聲振動于車削過程，能削弱上面一系列負面情況，從而得到更好的表面粗糙度。

圖5 表面粗糙度隨切削深度變化的折線Fig.5 Surface roughness changed with cutting depth

注意到在縱扭超聲車削中，420馬氏體不銹鋼和Ti-6Al-4V鈦合金的比較好的切削深度ap都是0.1 mm。取420馬氏體不銹鋼的加工工藝參數為：切削速度vc=16 m/min，切削深度ap=0.1 mm；取Ti-6Al-4V鈦合金的加工工藝參數為：切削速度vc=16 m/min，切削深度ap=0.1 mm。對兩種難加工材料進行切削實驗，得到兩種被加工材料的表面粗糙度Ra隨進給量變化的折線如圖6所示。

圖6 表面粗糙度隨進給量變化的折線Fig.6 Surface roughness changed with feed rate

由圖6容易看出：對于420馬氏體不銹鋼，普通車削和縱扭超聲車削的表面粗糙度隨進給量的變大而變大；而對于Ti-6Al-4V鈦合金，普通車削和縱扭超聲車削的表面粗糙度隨切削速度的增大呈現先減少后變大的趨勢，并且在整體上縱扭超聲車削獲得的表面粗糙度要好于普通車削。注意到在縱扭超聲車削中，420馬氏體不銹鋼比較好的進給量f是0.07 mm/r，Ti-6Al-4V鈦合金比較好的進給量f是0.12 mm/r。

在車削過程中，隨著進給量的增加，比較容易使形成的切屑變寬，而較寬的切屑不容易自動排出，且容易劃傷加工工件的表面，破壞加工質量，所以在實際加工中應采用相對較低的進給量來確保加工質量足夠好[8]。

最后，為了得到420馬氏體不銹鋼與Ti-6Al-4V鈦合金縱扭超聲振動車削降低表面粗糙度的水平，利用EXCEL對實驗得到的數據進行處理，取得數據如表2所示。

表2 降低的表面粗糙度水平

3.2 表面形貌

在相同工藝參數條件下，分別對420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金進行加工實驗，再用L100/100BD工業檢測顯微鏡對其表面形貌進行檢測。表面形貌的光學圖像如圖7所示。

圖7 兩種材料的表面形貌

從圖7中能夠觀察到縱扭超聲振動切削形成的表面形貌和普通切削形成的有明顯差異，縱扭超聲振動切削形成的表面形貌產生了如同波紋的振痕，并且其表面振痕的總體分布與大小相對均勻，且沒有形成缺陷。由于Ti-6Al-4V鈦合金比420馬氏體不銹鋼的強度以及硬度更高，所以其表面振痕相比后者來說不是十分明顯。而普通切削形成的表面形貌有一段一段的溝槽，整體分布與大小不一致，并且存在著一些局部缺陷。

由于在切削過程中加了超聲振動，從而使縱扭超聲振動切削形成的表面形貌明顯好于普通切削。借助于超聲振動，讓刀具和工件的接觸形式由連續接觸變成斷續接觸的形式，這可以明顯減少兩者接觸時表面塑性變形和摩擦[9]，進而使得縱扭超聲振動切削形成的表面形貌更好。

3.3 刀具磨損

為了研究縱扭超聲振動對刀具磨損產生的影響，通過L100/100BD工業檢測顯微鏡查看車削420馬氏體不銹鋼的刀具的前刀面和主后刀面的磨損情況，如圖8所示。

從圖8能夠觀察到普通車削中前刀面和主后刀面的刀具磨損相比于縱扭超聲切削更加明顯，且伴隨著較大的變形溝槽與一些黏結物；而縱扭超聲振動車削中前刀面和主后刀面的刀具磨損得到顯著改善，變形溝槽也沒有普通車削形成的那么大。原因之一就是借助超聲振動，車削過程中刀具更容易與工件分離，這不但可以減輕工件與刀具之間的摩擦，而且在車削區域積累的熱量更容易散去，來產生減少刀具磨損的效果[10]。

3.4 切屑形態

切屑形態對加工表面質量也會產生較大的影響，分析切屑的宏觀形貌對提高加工表面質量具有十分重要的意義。在車削Ti-6Al-4V鈦合金的實驗中選出一組具有代表性的工藝參數下的切屑，分析其宏觀形貌，如圖9所示。能夠觀察到，縱扭超聲車削取得的切屑更好，它是螺旋卷屑，在加工時比較容易自動斷屑，不讓切屑纏繞在工件表面上，從而提高加工質量;而普通車削取得的切屑比較雜亂，在加工時它很容易卷在工件上，從而把工件表面拉毛，影響加工質量。

圖9 兩種車削方式的切屑宏觀圖

4 結論

(1)適當選擇工藝參數，縱扭超聲車削420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金能獲得比普通車削更好的表面粗糙度，420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金都比較適合中低速、低切削深度和低進給量的超聲車削，但相比之下Ti-6Al-4V鈦合金適合更低的切削速度與切削深度，420馬氏體不銹鋼適合更低的進給量。

(2)普通車削和縱扭超聲車削的420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金的表面形貌有明顯差別：在普通車削中，兩者的表面形貌都容易形成溝槽、劃痕等其他局部缺陷；而在縱扭超聲車削中，這些缺點得到了明顯改善，縱扭超聲車削的表面形貌產生了均勻的振痕，表面形貌無明顯缺陷，這就是超聲振動的輔助作用。

(3)對比分析普通車削和縱扭超聲車削420馬氏體不銹鋼中的前刀面和主后刀面的刀具磨損，發現普通車削的刀具磨損更為嚴重，且伴隨著較大的變形溝槽和一些黏結物，相比之下縱扭超聲車削的刀具磨損程度得到了明顯的降低，無明顯的大變形溝槽，這可以增加刀具的工作壽命，減輕車削加工成本。

(4)使用縱扭超聲車削Ti-6Al-4V鈦合金形成的切屑相比于普通車削形成的切屑更加平整均勻，不像普通車削的切屑那么雜亂，而是一段一段的螺旋卷屑，它在加工時比較容易自動斷屑，這說明縱扭超聲切削能夠得到更好的加工質量。