鈦合金鋼的縱扭切削加工特征及效果分析

凌海明

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163741）

0 引言

鈦合金因其優良的機械性能，在航空、航天等領域有著廣闊的應用前景，但其低熱導率、低彈性模量、高化學活性的特點，使得其在機械領域的應用受到極大限制。本文將超聲縱扭式復合振動與銑削工藝相結合，通過理論建模、實驗分析等手段，對鈦合金在超聲縱扭式復合振動下的表面形貌特征下進行深入分析，闡明其在超聲縱扭式復合振動下表面形貌的產生機制和力學實質。

1 超聲縱扭銑削運動特性分析

切割機在切割機轉動方向上產生的扭振和切割機的縱波超聲波在切割機的軸線上產生的縱波共振。超聲縱扭振動銑削如圖1 所示，刀具切割刃的運動包括刀具旋轉主運動、超聲縱向振動、超聲扭轉振動和進給運動。

圖1 超聲縱扭復合振動銑削模型

通過對超聲縱扭振動組合的銑削運動軌跡的分析可以看出，在加工過程中，刀具和工件之間形成了一個周期的“分離—接觸”。通過超聲縱扭復合振動來完成切削刃的空間運動軌跡，使得被加工的表面可以呈現出較為規律的加工結構。

2 超聲縱扭銑削理論模型

提出了一種新型的切削力超聲縱振方法：在常規銑削的基礎上，對刀具疊加超聲波振蕩，其振動方向與進給方向相同，從而使進給量產生變化（圖2）。

圖2 超聲銑削理論模型

3 實驗條件及實驗結果

3.1 超聲縱扭聲學系統

在變幅桿上開螺旋槽，來實現雙激發作用下刀具的超聲縱扭復合振動輸出。進而對組裝后的聲學振動系統展開阻抗和振幅測試，得到系統的諧振頻率為34.126 kHz，縱向振幅和扭矩振幅之比約為1∶0.7。測試中使用的超聲縱扭聲學系統，主要包括無線傳輸系統、超聲電源、機床主軸等（圖3）。

圖3 超聲縱扭振動系統

為降低超聲變幅桿在實際加工過程中所產生的誤差，就必須對其展開超聲振動聲學系統特性的研究。實驗過程中，利用PV70A 型阻抗分析儀進行測試。測試結果表明，其共振頻率達為41.25 kHz，與設計頻率41 kHz 的偏差比較小，可以滿足應用需求，縱扭比值為1∶0.7。

3.2 實驗平臺搭建

以WMC850E 三軸立式銑床為研究對象，利用無線控制的超聲波一體化刀具，完成了Ti6Al4V 鈦基合金的縱向和扭轉組合振動側向銑床的實驗。將傳感器、變幅桿、銑刀按順序聯接到機器的主軸上，將超聲波動力與傳感器連接到無線傳送圓盤上。除此之外，實驗還配備了KISTLER 9257B 型測力儀、N19205 型多路數據采集卡、充電放大器以及用于數據處理的計算機。測試平臺如圖4 所示。

圖4 超聲縱扭銑削系統實驗平臺

實驗中使用的Ti6Al4V 鈦合金材料由同一批澆鑄而來，其機械性能見表1。銑削所使用的工具是YNES40800AF 型四刃直柄粉末高硬納米平頭端銑刀，直徑為9.0 mm、螺旋角為36°、切齒數量為4、刃長30 mm、全長72 mm。在每個銑加工工序中更換新的工具，以減少工具損耗對測試結果的影響。

表1 鈦合金Ti6Al4V 力學性能

3.3 銑削結果對比

在同樣的工藝條件下，采取120 m/min 的切割速率。隨著切割速率的增加，切割溫度上升，使切屑層更加軟化。因此，切割速率120 m/min 時的表面粗糙度要比90 m/min 時小，可以有效地減小鋸片與前刀面上的摩擦力，使得切割更加平滑，并可有效降低被切割面的粗糙度。實驗結果表明：隨著切削速率的提高，超聲波縱扭銑的振動幅度增大，可使表面的粗糙度降低。通過超聲縱扭銑削加工與普通銑削加工的實驗比較，可以看出縱扭銑削加工后的表面結構比起普通銑削加工后的表面結構有顯著提高，而表面粗糙度顯著下降。

4 有效性分析

在正常銑削和超聲縱扭銑削中，每齒進給量為0.04 mm、切削速度為90 m/min、徑向切深為0.3 mm、超聲振幅為4 μm 時，對測量加工與實驗時的表面形貌進行比較。結果表明，測量加工形貌與實驗形貌的質地相似，在正常加工測量得到的最大表面厚度為9.42 μm，實驗得到的最大表面厚度為10 μm，平均偏差為6.1%。用該方法進行了縱向和扭轉切削，得到了測量值為3.8 μm，實驗值為4 μm，相對偏差為5.3%。分析發現，超聲波縱扭銑的最大輪廓高度和平均高度，與常規銑削相比都要小得多，表面形貌的處理質量顯著提高。

從測量值與實驗值殘余高度曲線中可以看出，測量與實驗的形貌輪廓吻合程度較高，實驗得出的形狀能夠有效反映測量的形狀和特點。其中偏差的成因有：零件在切削時由于應力、應變率及高溫而引起的塑性形變、測量誤差、工具磨損等。在表面形貌實驗中，網格劃分的精細程度、實驗模型本身的準確性以及實驗程序計算時間等，都會對結果造成一定的影響。

5 結論

（1）對超聲波縱扭銑與常規銑削所得到的表面形態進行分析，可以看出，由于超聲波縱扭銑削的作用，在切削時會出現周期性的“脫開—接觸”現象，使被切削的表面呈現出較為均勻、規整切削紋理，而且隨著其組織尺度的增大，致密程度逐漸降低。常規銑削過程中，刀片與被切削材料之間會出現嚴重的粘結，同時會出現鱗刺。

（2）對縱扭銑與常規銑削的表面粗糙度進行比較，結果表明：當切割速率恒定時，縱扭銑得到的表面粗糙度顯著低于常規銑削。隨著振幅的增大，其表面粗糙度減小。

（3）對各齒進給速率對曲面形貌的影響進行了實驗研究，結果表明：當其他條件相同時，各齒進給速率越低，曲面形貌的殘余高度越低。在進給方向上，兩個刀片的間隔增大，使峰值和低谷的高度差異縮小，可以降低對應的粗糙度，從而提高加工質量。

（4）根據單齒單齒進給程度的差異，分別從超聲波縱扭銑與常規銑削兩種切削方式下，獲取兩種切削方式下的表面波紋特征曲線，并進行效果分析。結果表明，測量結果所得到的最大圍巖高度和平均高程分別為5.3%和4.0%。在常規工藝條件下，最大等值線高度和平均等值線高度的相對偏差分別為6.1%和6.0%。實驗的形狀可以很好地表現出測量形狀的周期特征和高度特征，其表面形貌的加工質量比常規銑削加工的表面形貌質量要好得多。