喻宏慶 ， 高延峰 ， 王順欽

(1.中航工業(yè)洪都航空工業(yè)集團有限責任公司制造工程部，南昌 330024;2.南昌航空大學航空制造工程學院，南昌 330063)

鈦合金具有較高的比強度、優(yōu)良的耐腐蝕性以及良好的與碳纖維復合材料的兼容性，在航空航天領(lǐng)域有極好的應用前景[1]。但是由于鈦合金材料本身具有粘、韌、彈以及化學活性高等特點，使其在加工過程中易出現(xiàn)加工表面燒傷和加工裂紋，表面質(zhì)量難以控制。與結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高溫合金相比，鈦合金零件對表面損傷和缺陷具有更大的敏感性，工件表面質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的使用性能和設備的可靠性能，從而嚴重影響了鈦合金的使用[2-3]。

超聲振動輔助切削將超聲波信號引入到普通切削中，使刀具或工件以20～50kHz的頻率、沿切削方向高速振動。在高頻振動的作用下，刀具與工件斷續(xù)接觸，切屑更易飛出，這就使得刀具所受到的摩擦變小，切削力降低，加工質(zhì)量得到改善[4]。

由于該方法的優(yōu)點，得到了國內(nèi)外學者們的廣泛關(guān)注。文獻[5]對超聲振動輔助鉆削鈦合金的機理和工藝進行了研究，發(fā)現(xiàn)軸向超聲振動在鉆削方面有著優(yōu)良效果；文獻[6]對鈦合金的超聲波激振鏜削進行了研究，將超聲振動運用在圓孔鏜削中，改善了圓孔的直線度和圓柱度。但鈦合金材料從毛坯件加工到成品件的過程中，銑削是目前使用最多的加工方式[7]。盡管文獻[8]對鋁合金材料進行的超聲振動銑削研究有一定的參考價值，但振動方向?qū)儆谳S向振動，即切削深度方向振動，而非切削速度方向。同樣一種材料，由于超聲振動方向的不同也會對加工效果產(chǎn)生很大的影響。徑向振動銑削可以實現(xiàn)切削速度和進給方向同時振動，將更有利于發(fā)揮超聲振動的效果。但由于裝置本身的限制，對于鈦合金材料徑向超聲振動銑削的研究還比較少。

本文設計了一種超聲振動輔助銑削試驗裝置，使工件在進給方向上高頻振動，實現(xiàn)了徑向超聲振動的目的，并利用該平臺對鈦合金TC4進行了切削試驗，分別研究了切削速度、進給速度、切削深度和徑向超聲振動幅值對表面粗糙度的影響規(guī)律，并從切削力和加工穩(wěn)定性兩個方面探討徑向超聲振動銑削改善表面粗糙度的機理，以期達到明確鈦合金銑削加工質(zhì)量改善規(guī)律，并闡明其改善機理的目的，對研究鈦合金的超聲振動輔助加工提供參考。

1 試驗平臺建立

本試驗組建的徑向超聲振動銑削試驗平臺如圖1所示。超聲振動裝置通過螺栓固定在機床工作臺上，裝置的振動方向為切削進給方向（即X方向），連接工件之后振動幅值在0～22μm之間。工件通過緊固螺栓固定在滑軌上，滑軌在X方向可以自由滑動，其他方向的位移被限制，同時工件的一端通過螺栓與超聲振動裝置相連接，使得變幅桿在X方向的振動可以傳遞至工件。

圖1 試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic illustration of experimental platform

銑刀選用硬度為60°的TiAlN納米涂層4刃硬質(zhì)合金立銑刀。該刀具在耐高溫、耐磨損方面有明顯優(yōu)勢，可確保兩組相鄰試驗之間刀具磨損的影響能夠忽略[9]。為了保證切削深度的可靠性，試驗進行之前對工件加工表面進行預處理，即先進行粗加工，使加工表面有較好的平面度和表面粗糙度。

本次試驗目的是研究切削速度、進給速度、切削深度、超聲振幅等因素對超聲振動輔助銑削表面粗糙度的影響，因此每組試驗只改變其中1個因素，其他因素固定不變，研究該單因素對試驗結(jié)果的影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 超聲振動幅值對表面粗糙度的影響

首先，進行振幅影響試驗，在超聲振動裝置允許的振幅范圍內(nèi)研究超聲振動幅值對表面粗糙度的影響規(guī)律，為后續(xù)試驗選取合適的振幅提供依據(jù)。參考鈦合金常用的切削參數(shù)，設定機床主軸轉(zhuǎn)速為800r/min，進給速度50mm/min，切削深度0.6mm。根據(jù)振動裝置本身的性能，將振幅從0～22μm分5組進行試驗。結(jié)果如圖2所示。

圖2 振幅對工件表面粗糙度的影響曲線Fig.2 Influence of amplitude to the surface roughness

由圖2可知，表面粗糙度隨超聲振幅增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但變化不大。振幅在16μm以內(nèi)時表面粗糙度隨振幅的增大而減小，當振幅增超過16μm反而會使得表面粗糙度增加。由此看來超聲振動輔助銑削振幅不能過小也不能過大，過小則發(fā)揮不出超聲振動的優(yōu)越性，過大則會引起工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性受不良影響，從而增加表面粗糙度的值。但不同材料和切削參數(shù)對振幅的適應程度也不相同，因此所選振幅與工件材料、切削參數(shù)、系統(tǒng)本身都有關(guān)系。

為了更進一步從加工效果的微觀層面分析這種變化，選取相同的切削參數(shù)，不同的振動幅值(0μm、16μm、22μm)，對已加工件的表面微觀形貌進行檢測，結(jié)果如圖 3 中（a）、（b）、（c）所示。由圖 3 可以看出，在圖3（a）中振幅為0時，相當于普通銑削，工件的表面微觀形貌可見明顯劃痕，這些劃痕深淺不一，間距有大有小，同時圖3（a）中左右兩端都可看到去除不完整區(qū)域的存在。而圖3（b）加入16μm振幅以后，工件的表面微觀形貌更加平整，劃痕普遍變淺，劃痕間距趨于均勻，去除不完整現(xiàn)象明顯得到改善?？梢?，超聲振動的引入，明顯提高切削面的平整度，改善表面加工質(zhì)量。但圖3（c）中由于22μm的振幅過大，造成的沖擊使系統(tǒng)振動增加，工件表面出現(xiàn)了比較多的黑色凹坑，使得去除完整性受到影響，從而影響了表面質(zhì)量。

圖3 不同振幅的SEM圖Fig.3 SEM of different amplitudes

2.2 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

選取進給速度50mm/min，切削深度0.6mm，振動幅值16μm，主軸轉(zhuǎn)速在0～1200r/min之間。試驗分為普通銑削和超聲振動銑削兩個部分，所得數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

在普通銑削中，過低的切削速度使得工件的塑性變形程度嚴重，極易產(chǎn)生積屑瘤，切削刃的優(yōu)勢不能充分體現(xiàn)，去除不完整的現(xiàn)象比較突出。隨著切削速度的增加，去除過程變得干脆利落，使加工質(zhì)量有了明顯改善。但隨著切削速度的增加，切削功率增大，切削溫度也有所增加，受材料本身的影響，會小范圍地影響表面粗糙度。采用超聲振動輔助銑削也呈現(xiàn)了同樣的規(guī)律，但在整個切削速度范圍內(nèi)，超聲振動輔助銑削后的表面粗糙度均明顯降低。

2.3 進給速度對表面粗糙度的影響

選取主軸轉(zhuǎn)速800r/min，切削深度0.6mm，振動幅值16μm，進給速度20～120mm/min之間。試驗所得數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5 進給速度對表面粗糙度的影響曲線Fig.5 Influence of feed rate to the surface roughness

由圖5可知，試驗中進給速度對表面粗糙度有顯著影響，無論有無超聲振動，表面粗糙度都隨著進給速度的增加而迅速增加，普通銑削粗糙度隨進給速度的增加非常明顯，而超聲振動銑削的粗糙度增大速率卻相對較小。進給速度比較低時，超聲振動銑削改善并不明顯，隨進給速度的增大，超聲振動銑削優(yōu)勢逐漸表現(xiàn)出來。即便如此，進給速度提高還會導致粗糙度的增大，隨著進給速度的增大，單位時間內(nèi)的徑向切削深度增大，會使材料去除率增加，使切削過程中刀具對工件的沖擊振動、旋轉(zhuǎn)力矩及進給方向沖擊力也會相應增大，使切削過程容易發(fā)生振動，惡化了加工條件，且工件的殘留面積也將增大，從而影響表面粗糙度。但在試驗范圍內(nèi)進給速度越大，超聲振動對表面粗糙度的改善優(yōu)勢越明顯。

2.4 切削深度對表面粗糙度的影響

選取主軸轉(zhuǎn)速在800r/min，進給速50mm/min，振動幅值16μm，軸向切削深度0.1～1.3mm之間，進行普通銑削和超聲振動銑削兩個部分試驗，所得數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

圖6 切削深度對表面粗糙度的影響曲線Fig.6 Influence of cutting depth to the surface roughness

由圖6可知，表面粗糙度隨切削深度有小范圍的變化。在兩種加工方法下，表面粗糙度都隨切削深度的增加而先降低后又緩慢上升。當切削深度為0.1mm時，普通切削表面粗糙度達到了0.65μm，此參數(shù)下超聲振動銑削粗糙度也在0.62μm以上，僅改善4.6%，幾乎沒有效果。這是因為鈦合金材料本身易變形，過小的切削深度，刀具端面摩擦擠壓明顯，正常切削難以實現(xiàn)，擠壓和打滑使刀刃難以發(fā)揮去除作用，超聲振動的優(yōu)點也難以體現(xiàn)。隨切削深度略微增加后，擠壓切削明顯改善，表面粗糙度也迅速降低。但過大的切削深度會使相應材料去除量增加，切削阻力增大，使切削過程中沖擊力增大，試驗系統(tǒng)的振動加劇，使刀具因軸向力增大而使工藝系統(tǒng)變形增大，從而影響表面粗糙度。此過程超聲振動的優(yōu)越性得到顯現(xiàn)，增加幅度明顯低于普通銑削。

3 機理分析

由上述試驗結(jié)果可以看出，超聲振動銑削對表面粗糙度有明顯改善。根據(jù)資料，切削加工中影響表面粗糙度的因素包括：幾何因素、物理因素和工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性3個方面。幾何因素主要包括刀具形狀和材料塑性，在本試驗中都可視為不變因素。下面對變化和影響比較明顯的另外兩個因素進行具體分析。

3.1 物理因素

切削中的物理因素影響主要包括切削參數(shù)、刀刃積屑瘤和工件鱗刺。當切削參數(shù)確定的情況下，是否產(chǎn)生有積屑瘤和鱗刺成為重要影響因素。

在超聲振動輔助切削中，工具以正弦波的形式高頻振動，其位移y和時間t有如下關(guān)系[10]：

式中，f為振動頻率，A為振幅，則工具的超聲振動加速度a可表示為：

試驗中f=18.64kHz，A按照16μm計算則a的最大值可達219245.7m/s2，如此巨大的加速度足以避免積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，保證加工質(zhì)量，這也是在切削速度較低時超聲振動銑削明顯改善表面粗糙度的原因之一。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

切削振動是由切削力引起的，因此切削力的改變會導致振動改變，從而引起切削系統(tǒng)穩(wěn)定性的改變。試驗中主切削刃切入方向與進給方向垂直，因此對該方向（即圖1中的Y方向）的力進行分析。本系統(tǒng)中主軸轉(zhuǎn)速為960r/min時的切削速度與該材料實際生產(chǎn)的切削速度最為接近，因此在該轉(zhuǎn)速下進行分析。由于直接觀察切削力的波形難以看出兩種加工方法的區(qū)別，取其中有效段進行Fourier變換。在0～500Hz的頻率范圍內(nèi)，主切削力頻段主要集中在0～100Hz之間，取該頻段進行放大，可得普通銑削時Y方向的切削力功率譜，如圖7所示。

由圖7可看出，功率譜數(shù)值最大點達89.26，該點頻率在64Hz左右，因為本組試驗主軸轉(zhuǎn)速960r/min，合16r/s，四刃銑刀，則每s有16×4=64次主切削，可見該頻率即為切削力主頻率，該值可準確反映切削力大小。

同理，引入超聲振動以后的切削力頻譜圖如圖8所示，在64Hz時刻，功率譜值為80.07，主切削功率降低10.2%，由主切削引起的其他低頻的切削力功率譜下降更加明顯，和主軸同頻的16Hz點降低83.5%，倍頻32Hz點降低82.9%；在高頻段超聲銑削力有少量雜波出現(xiàn)，使得超聲振動銑削的高頻點的切削力略有增加。但引入超聲振動后，整體功率譜的平均值降低了23.82%，可見超聲振動銑削力明顯低于普通銑削。

超聲振動輔助銑削減小了切削力，這對降低切削系統(tǒng)的振動有積極的促進作用，有利于增加切削過程中的穩(wěn)定性，降低切削表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。

4 結(jié) 論

通過對鈦合金TC4徑向超聲銑削工藝方面的試驗分析，可以得出如下結(jié)論。

（1）該方法對難加工航空材料鈦合金TC4是一種切實可行的加工方法。該方法可以明顯降低工件的表面粗糙度，無論是切削速度、進給速度還是切削深度引起的粗糙度變化，加入超聲振動后都能不同程度地改善粗糙度的值。

圖7 普通銑削Y向切削力頻譜圖Fig.7 Spectrogram of Y cutting force under conventional cutting

圖8 超聲銑削Y向切削力頻譜圖Fig.8 Spectrogram of Y cutting force under ultrasonic vibration milling

（2）徑向超聲振動對加工質(zhì)量的改善，不是振幅越大越好，也不是越小越好，而是某個中間振幅區(qū)域，該區(qū)域受加工材料、切削參數(shù)和工藝系統(tǒng)等多方面的影響。

（3）超聲振動信號可以對工件或刀具產(chǎn)生非常巨大的加速度，足以避免積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生。因此由于切削速度過低導致的表面粗糙度過大方面有明顯的改善，但對切削深度過小產(chǎn)生擠壓切削，引起表面粗糙度過大的情況改善不明顯。

（4）SEM照片分析表明，徑向超聲振動銑削對表面粗糙度的改善主要表現(xiàn)在劃痕溝槽變淺且加工均勻，間隔更加整齊和對材料的去除更加徹底等方面。

（5）徑向超聲振動銑削可以明顯改善切削力，這種改善包括主切削頻率功率譜值的明顯降低，以及其低倍頻功率譜值和整體功率譜平均值的明顯減小，這種改善能夠降低負面振動影響，提高加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而能夠促進形成較好的表面質(zhì)量。

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