鈦合金薄壁件超聲振動(dòng)輔助銑削工藝研究*

于福權(quán),方振龍

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

鈦合金材料有優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度和耐腐蝕特性,在航空航天領(lǐng)域有廣泛的發(fā)展前景[1-3]。但是,由于鈦合金薄壁工件存在局部剛度低、導(dǎo)熱系數(shù)小以及表面硬化嚴(yán)重等問(wèn)題,在加工過(guò)程中易發(fā)生變形現(xiàn)象,嚴(yán)重影響其加工精度,成為束縛其應(yīng)用的主要因素[4,5]。

隨著“工業(yè)4.0”及“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施,智能制造、精密加工等成為制造業(yè)的熱點(diǎn)話題,對(duì)鈦合金薄壁件加工工藝的研究也成為學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。

劉暢等人[6]建立了銑削加工切削力的動(dòng)態(tài)模型,并對(duì)不同工藝參數(shù)下薄壁件加工過(guò)程進(jìn)行了研究,從而有效優(yōu)化了切削工藝。李同[7]采用ANSYS有限元軟件模擬了鈦合金的銑削過(guò)程,并討論了銑削參數(shù)對(duì)鈦合金表面質(zhì)量的影響,為切削參數(shù)選擇提供了參考。ZHAO H R等人[8]基于TC4鈦合金的Johnson-Cook本構(gòu)模型、改進(jìn)庫(kù)侖摩擦應(yīng)力模型以及切屑分離準(zhǔn)則等理論,對(duì)鈦合金薄壁零件的銑削進(jìn)行了數(shù)值模擬,為鈦合金薄壁件銑削提供了理論基礎(chǔ)。

綜上所述,當(dāng)前對(duì)鈦合金薄壁件的研究主要集中于普通銑削工藝,但是由于加工過(guò)程中工件的形變較大,使其加工質(zhì)量很難得到保證。

近年來(lái),超聲振動(dòng)輔助加工作為一種新興加工工藝,相關(guān)的研究成果也不斷涌現(xiàn)出來(lái)。

高玉俠[9]將超聲振動(dòng)用于鎂合金銑削的加工中,并以銑削力、切屑形態(tài)以及加工精度作為指標(biāo),驗(yàn)證了超聲振動(dòng)對(duì)提高銑削質(zhì)量的輔助作用。張躍敏等人[10]基于離散法,建立了縱向超聲振動(dòng)銑削有限元模型,通過(guò)葉瓣圖分析了超聲振動(dòng)對(duì)于切削穩(wěn)定性的影響,拓寬了對(duì)超聲銑削的研究途徑。牛秋林等人[11]對(duì)復(fù)合材料SiCp /Al進(jìn)行了縱向超聲振動(dòng)輔助銑削試驗(yàn),并探究了切屑宏觀與微觀形貌的形成機(jī)理,最后用測(cè)試結(jié)論驗(yàn)證了理論分析的有效性。

超聲輔助加工為鈦合金薄壁件銑削提供了基礎(chǔ)參考。為進(jìn)一步減少薄壁件變形,提高加工質(zhì)量,筆者提出一種基于超聲輔助銑削加工工藝方法。

筆者利用ABAQUS分析鈦合金銑削的受力形式和變形機(jī)理,研究超聲振動(dòng)對(duì)銑削加工的促進(jìn)作用,討論銑削力對(duì)薄壁件形變量的影響;同時(shí),設(shè)計(jì)鈦合金薄壁件超聲振動(dòng)銑削試驗(yàn),為如何優(yōu)化加工參數(shù)、減少加工變形提供依據(jù)。

1 形變分析

1.1 金屬切削理論

切削加工中,刀具對(duì)工件直接作用,將多余材料以切屑的形式去除從而得到設(shè)計(jì)的零件。該過(guò)程中,還會(huì)伴隨切削力、切削熱、刀具磨損和工件形變等切削物理量。工件在切削時(shí)產(chǎn)生的彈性和塑性變形,伴隨著切屑的生成,加工中還會(huì)出現(xiàn)積屑瘤,產(chǎn)生振動(dòng)等問(wèn)題,嚴(yán)重影響工件的加工質(zhì)量。

金屬切削時(shí)有3個(gè)變形區(qū):

在第一變形區(qū),工件材料從彈性變形過(guò)渡到塑性變形,內(nèi)部晶粒發(fā)生剪切滑移和位錯(cuò),從而產(chǎn)生切屑;

在第二變形區(qū),未加工材料的晶格發(fā)生位錯(cuò)和滑移后分離,一部分形成切屑從工具的前表面脫離,另一部分形成工件表面,當(dāng)切屑形成時(shí),工具前表面將承受很強(qiáng)的高溫高壓作用,造成切屑和工具表面之間的粘結(jié)和磨損,甚至增大后續(xù)切屑的摩擦阻力,造成溫度的進(jìn)一步升高,形成惡性循環(huán);

切屑和工件分離后,新形成的加工面由于受到切削刃和后刀面的作用產(chǎn)生彈塑性變形,該區(qū)域稱(chēng)為第三變形區(qū)。在該區(qū)域內(nèi),加工后的表面會(huì)發(fā)生一定程度的回彈,該部分回彈量主要是受到殘余應(yīng)力和表面加工硬化效應(yīng)的影響,當(dāng)出現(xiàn)加工硬化時(shí),還會(huì)伴隨著表面微裂紋的生成,降低了表面質(zhì)量[12,13]。

金屬切削加工示意圖如圖1所示。

1.2 受力形式

薄壁工件銑削加工過(guò)程中,由于工件厚度遠(yuǎn)小于工件的高度,薄壁在z方向銑削力的影響下發(fā)生變形。筆者通過(guò)對(duì)薄壁件銑削區(qū)域進(jìn)行受力分析,從而研究其變形情況。

薄壁工件的受力形式如圖2所示。

圖2 薄壁件銑削示意圖

從圖2中可以看出:在受力變形分析中,以薄壁面為x-y平面建立直角坐標(biāo)系,對(duì)薄壁的受力進(jìn)行理論推導(dǎo)。為此,筆者進(jìn)行合理化假設(shè):

(1)銑削加工區(qū)域視為均布面載荷,忽略銑刀和切削刃形狀因素帶來(lái)的載荷分布不均問(wèn)題;

(2)分析薄壁件中間區(qū)域受力和形變時(shí),單純以薄壁件底部為固定約束,不考慮切削加工區(qū)域兩側(cè)的影響;

(3)精密銑削加工中,銑削厚度在薄壁厚度1/10以下時(shí),不考慮厚度變化對(duì)形變產(chǎn)生的干擾。

實(shí)際銑削加工中,薄壁上邊緣銑削位置形變量最大,此時(shí)薄壁件的約束完全由底面提供,薄壁件底部受到的反力Ffix為:

Ffix=-F

(1)

式中:F—銑削時(shí)薄壁受到的z方向銑削力。

1.3 薄壁件受力變形

在薄壁面受力形變分析中,銑刀和工件之間的接觸可視為均布載荷,其載荷分布如圖3所示。

圖3 載荷分布圖

銑刀在薄壁件表面產(chǎn)生的均布載荷q可定義為:

(2)

式中:l—銑削長(zhǎng)度。

在均布載荷的作用下,薄壁件在底面固定位置產(chǎn)生的彎矩最大,對(duì)于薄壁底部位置的最大彎矩Mmax可表示為:

(3)

式中:h—薄壁的高度。

撓曲線近似微分方程[14]:

(4)

式中:E—鈦合金的彈性模量;I—截面的慣性矩。

通過(guò)對(duì)微分方程(4)進(jìn)行積分和疊加,即可獲得薄壁在末端的最大撓度為:

(5)

對(duì)于薄壁件來(lái)說(shuō),其橫截面為矩形,再通過(guò)引入矩形截面的慣性矩公式[15]:

(6)

式中:a—薄壁的厚度;b—薄壁的寬度。

將慣性矩公式(6)代入到式(5)中,即可求得薄壁件在銑削過(guò)程中產(chǎn)生的最大形變量。

2 仿真分析

2.1 超聲加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡

在XOY平面內(nèi),普通切削刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條直線。在超聲振動(dòng)銑削加工中,銑刀增加了沿刀柄方向的高頻振動(dòng),使刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡均呈現(xiàn)螺旋狀曲線。

通過(guò)控制超聲振動(dòng)的相位差,以此改變材料加工過(guò)程的切削機(jī)理,可以使切削效率和加工質(zhì)量大幅提高。

刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 超聲振動(dòng)切削刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2 材料本構(gòu)模型

筆者采用Johnson-Cook本構(gòu)模型對(duì)鈦合金材料的屬性進(jìn)行設(shè)置,其表達(dá)式為:

(7)

有限元仿真過(guò)程中鈦合金工件JC本構(gòu)方程具體參數(shù),如表1所示。

表1 JC本構(gòu)方程參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

筆者通過(guò)構(gòu)建薄壁件銑削的有限元仿真模型,對(duì)仿真過(guò)程中薄壁件的形變和應(yīng)力進(jìn)行分析[16]。

首先,建立圖2中薄壁件的仿真模型,將材料和銑刀分別賦予材料屬性;其次,將薄壁件底部的自由度進(jìn)行完全約束,還原實(shí)際加工中的安裝情況,并對(duì)銑刀的銑削速度和振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,模擬加工中普通銑削和超聲振動(dòng)銑削的運(yùn)動(dòng)特性;最后,通過(guò)對(duì)工件和銑刀的網(wǎng)格劃分,實(shí)現(xiàn)銑削過(guò)程的有限元模擬。

為研究普通銑削和超聲振動(dòng)銑削工藝的區(qū)別,筆者選擇表3中第1組、第7組以及第10組切削參數(shù)進(jìn)行仿真分析,如圖(5～7)所示。

圖5 第1組參數(shù)仿真結(jié)果

圖6 第7組參數(shù)仿真結(jié)果

圖7 第10組參數(shù)仿真結(jié)果

為了更直觀地進(jìn)行分析,筆者將圖(5～7)仿真結(jié)果進(jìn)行了列表對(duì)比,如表2所示。

表2 不同參數(shù)仿真結(jié)果對(duì)比

由仿真結(jié)果可知:在不同參數(shù)條件下,薄壁工件在受到銑削力的作用后,都會(huì)產(chǎn)生一定程度的形變;但是相比普通銑削工藝,超聲振動(dòng)通過(guò)改變切削機(jī)理可實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削,從而大幅減小銑削作用力,進(jìn)而有效改善工件因銑削力作用而產(chǎn)生的變形,提高工件加工效率和質(zhì)量。

3 試 驗(yàn)

筆者設(shè)計(jì)超聲振動(dòng)輔助銑削試驗(yàn)平臺(tái),如圖8所示。

圖8 超聲振動(dòng)銑削試驗(yàn)平臺(tái)

在圖8中:

(a)為北京精雕集團(tuán)生產(chǎn)的JD VT600_A12S型精雕機(jī),主軸最大轉(zhuǎn)速為25 000 r/min,主軸運(yùn)動(dòng)精度為0.1 μm,工作行程為600×400×350 mm;

(b)為鎢鋼材質(zhì)的四面刃立銑刀,其直徑為4 mm,工作長(zhǎng)度為10 mm;

(c)為Kistler 9255C測(cè)力儀,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的銑削力信號(hào)進(jìn)行采集,信號(hào)采集量程為60 N,采樣精度為±0.01 N,采樣頻率最大為100 kHz;

(d)為超聲振動(dòng)電源,額定功率為300 W,當(dāng)超聲振動(dòng)能量增加時(shí)超聲振幅也會(huì)相應(yīng)的增加;

(e)為ZYGO公司生產(chǎn)的三維光學(xué)輪廓儀,對(duì)試驗(yàn)后薄壁的形變量進(jìn)行非接觸式微米級(jí)采集和表征。

試驗(yàn)前,筆者將工件加工成圖2所示的結(jié)構(gòu)(薄壁區(qū)域厚度為1 mm,高度為5 mm,寬度為20 mm),通過(guò)薄壁底部的夾持結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件的固定。

試驗(yàn)過(guò)程中,保持冷卻液流動(dòng)穩(wěn)定,并且避免銑刀運(yùn)動(dòng)對(duì)冷卻液流動(dòng)狀態(tài)造成的干擾,降低銑削力采集誤差。

試驗(yàn)后,使用三維輪廓儀對(duì)工件薄壁區(qū)域的形變量進(jìn)行采集。

試驗(yàn)時(shí),筆者選取主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和超聲振動(dòng)功率為自變量,切削厚度為0.2 mm,銑削長(zhǎng)度為3 mm,對(duì)不同參數(shù)組合形式下加工時(shí)工件受到的銑削力和加工后薄壁產(chǎn)生的形變量進(jìn)行研究。

超聲振動(dòng)輔助銑削試驗(yàn)的具體參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)果與分析

鈦合金薄壁件銑削過(guò)程中,薄壁在銑刀的作用下將發(fā)生一定程度的變形,對(duì)加工后的工件質(zhì)量產(chǎn)生影響。

由于工件薄壁特征銑削時(shí)變形不可避免,因此,筆者對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中銑削力進(jìn)行檢測(cè)和采集,實(shí)現(xiàn)薄壁件切削過(guò)程中形變量的在線分析,從而對(duì)銑削工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,避免反復(fù)裝夾和檢測(cè)影響加工進(jìn)度。

薄壁件進(jìn)行銑削時(shí),測(cè)力儀以80 kHz的采樣頻率對(duì)銑削力信號(hào)進(jìn)行采集,將采集的銑削力進(jìn)行信號(hào)降噪,并利用測(cè)力儀采集和處理銑削力數(shù)據(jù)。

此處以第10組數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果為例,則銑削力動(dòng)態(tài)曲線如圖9所示。

圖9 銑削力動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

由圖9可以看出:超聲輔助加工時(shí),工件所受到的銑削力明顯低于普通加工,與仿真結(jié)果趨于一致。

筆者將銑削加工中銑削力平穩(wěn)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理,并將普通銑削和超聲振動(dòng)銑削的銑削力進(jìn)行列表對(duì)比,如表4所示。

表4 銑削力試驗(yàn)結(jié)果

筆者將表4中的銑削力數(shù)值代入到最大撓度公式(5)中,對(duì)薄壁在末端的形變量進(jìn)行計(jì)算(式中,E為112 GPa,I為666.7 mm4);同時(shí),使用輪廓儀對(duì)薄壁末端的形變量進(jìn)行檢測(cè)。

薄壁件末端形變量計(jì)算值和檢測(cè)值的對(duì)比情況,如圖10所示。

圖10 不同工藝參數(shù)下薄壁形變量的對(duì)比情況

圖10(a)中可以看出:薄壁件銑削加工中,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,形變量整體上呈逐漸降低的趨勢(shì),尤其是在超聲銑削加工中,薄壁的形變量明顯小于普通銑削加工,并且形變量降低得更為平穩(wěn);

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí),相當(dāng)于每齒的切削量在降低,從而導(dǎo)致加工中銑削力下降,避免了薄壁件加工時(shí)出現(xiàn)較大的變形。

普通銑削中主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí),機(jī)床的振動(dòng)效果更顯著,會(huì)一定程度地造成形變量波動(dòng),而施加軸向超聲振動(dòng)有利于切削穩(wěn)定。薄壁形變量的計(jì)算值和測(cè)量值之間呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律,兩者之間的平均誤差為4.5%。

圖10(b)為薄壁形變量隨進(jìn)給速度的變化趨勢(shì),從中可看出:當(dāng)進(jìn)給速度增加時(shí),無(wú)論是普通銑削還是超聲銑削,形變量都呈現(xiàn)出明顯的增加,并且超聲作用下形變量也會(huì)有所降低。這主要是因?yàn)檫M(jìn)給速度的增加導(dǎo)致切削量增加,造成銑削力逐漸增大,而超聲振動(dòng)有助于降低銑削力。

由于薄壁形變量主要是通過(guò)銑削力進(jìn)行理論計(jì)算獲得,形變量和銑削力之間具有強(qiáng)相關(guān)性,因此,理論計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值之間變化趨勢(shì)相同,兩者之間平均誤差為4.6%。

圖10(c)為薄壁形變量隨超聲功率的變化趨勢(shì),在超聲功率為0時(shí)相當(dāng)于普通銑削加工,從中可以看出:隨著超聲功率的增加,形變量逐漸降低。當(dāng)超聲功率達(dá)到120 W之后,形變量的降低效果并不明顯,并且超聲功率的增加還會(huì)造成超聲設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重。因此,在實(shí)際的銑削加工中單純的增加超聲功率對(duì)降低薄壁形變量并不合理。

通過(guò)對(duì)比薄壁形變量的理論值和測(cè)量值可知,兩者之間的平均誤差僅為2.4%。

從整體上看,薄壁銑削后的形變量測(cè)量值全部略小于理論計(jì)算值,這主要包含兩點(diǎn)原因:(1)理論計(jì)算中采用的是被切削區(qū)域的完全均布載荷,而實(shí)際的銑削加工中被切削區(qū)域并不能同時(shí)承受均布載荷的作用;(2)實(shí)際的銑削加工后,被加工位置會(huì)發(fā)生一定程度的回彈,降低了薄壁的形變量。

此外,隨著超聲振動(dòng)功率的增加形變量理論值和實(shí)際值之間的誤差逐漸減小,這可能是超聲振動(dòng)有利于降低工件的殘余應(yīng)力,避免工件加工后產(chǎn)生回彈。

5 結(jié)束語(yǔ)

為進(jìn)一步減少薄壁件變形,提高加工質(zhì)量,筆者提出了一種基于超聲輔助銑削加工工藝方法。

筆者從薄壁件銑削受力的角度對(duì)形變量進(jìn)行了理論分析,借助有限元軟件直觀地對(duì)比了普通銑削和超聲振動(dòng)銑削在形變和應(yīng)力方面的區(qū)別,通過(guò)設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn),研究了工藝參數(shù)對(duì)薄壁形變量的影響規(guī)律,驗(yàn)證了形變量理論模型的有效性。

研究結(jié)論如下:

(1)超聲振動(dòng)銑削可以降低應(yīng)力值和薄壁形變量,對(duì)提高薄壁件的加工質(zhì)量和加工精度有促進(jìn)作用。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)中銑削力的測(cè)量,可以實(shí)現(xiàn)薄壁件形變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);

(2)隨著主軸轉(zhuǎn)速和超聲功率的增加,薄壁形變量呈逐漸降低的趨勢(shì),試驗(yàn)編號(hào)5的參數(shù)條件下,形變量最低可達(dá)0.53 μm;而隨著進(jìn)給速度的增加,薄壁形變量呈逐漸增加的趨勢(shì),形變量和進(jìn)給速度之間具有明顯的線性關(guān)系;

(3)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的有效性及理論分析的正確性,工件形變量理論值和測(cè)量值之間呈相同的變化趨勢(shì),兩者之間的平均誤差在5%以?xún)?nèi)。

在后續(xù)的研究過(guò)程中,筆者將進(jìn)一步分析超聲輔助加工對(duì)工件表面質(zhì)量的影響,并對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以期獲得最佳的加工工藝參數(shù)。