董保，王剛

（東北輕合金有限責(zé)任公司熔鑄廠，黑龍江 哈爾濱 150060）

5A06鋁合金的超聲車削加工實(shí)驗(yàn)研究

董保，王剛

（東北輕合金有限責(zé)任公司熔鑄廠，黑龍江 哈爾濱 150060）

5A06鋁合金車削加工時(shí)粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重，易產(chǎn)生積屑瘤，很難獲得好的已加工表面質(zhì)量，為解決這些難題，本文將超聲波理論與切削加工理論相結(jié)合，利用超聲車削方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)比超聲車削與普通車削的加工效果。結(jié)果表明，超聲車削可以降低切削力、減輕刀具磨損、改善已加工表面質(zhì)量。

5A06鋁合金；超聲車削；切削力；刀具磨損；表面質(zhì)量

車削加工在生產(chǎn)中占有十分重要的地位，但隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，新型材料在機(jī)械制造中日益被廣泛地采用，產(chǎn)品需求量越來越大，同時(shí)對(duì)其加工質(zhì)量、加工精度、加工效率以及某些特殊要求越來越高，普通車削已經(jīng)難以滿足其加工要求。超聲車削作為一種新型特種加工方法可以實(shí)現(xiàn)比普通車削更好的加工效果，在難加工材料以及難加工工序的加工中都具有很高的應(yīng)用價(jià)值。超聲車削使普通車削發(fā)生根本變化，是超聲振動(dòng)與普通車削相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法，通過給刀具或工件施加高頻、小振幅的超聲振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具與工件之間的周期性分離，屬于斷續(xù)切削。

1 超聲車削機(jī)理

由于刀具的形狀相對(duì)較固定且質(zhì)量較輕，易于實(shí)現(xiàn)系列化，所以本文將超聲振動(dòng)施加在刀具上進(jìn)行研究。在超聲振動(dòng)的輔助作用下，超聲車削加工過程中刀具與工件之間反復(fù)循環(huán)地進(jìn)行著接觸、切削、分離的過程，刀具在切削方向上做簡諧振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似一條正弦曲線。

超聲車削機(jī)理如圖1所示，在一個(gè)振動(dòng)周期T內(nèi)只有在時(shí)間tc內(nèi)刀具與工件接觸，其余時(shí)間刀具與工件分離。當(dāng)?shù)毒吲c工件分離時(shí)切削力為零，當(dāng)?shù)毒吲c工件接觸時(shí)才會(huì)產(chǎn)生切削力，即只有在圖1中的ab段才會(huì)產(chǎn)生切削力，因此與普通車削相比超聲車削可顯著降低切削力。

超聲車削時(shí)刀具與工件之間隨著超聲振動(dòng)頻率瞬時(shí)地進(jìn)行切入和切出，同時(shí)運(yùn)動(dòng)速度和方向不斷變化，使得工件材料在加工過程中的塑性變形減小并趨向于塑性狀態(tài)，因此摩擦系數(shù)會(huì)降低。超聲車削時(shí)刀具后刀面與工件之間的摩擦力Fr可表示為：

式中：μ為動(dòng)摩擦因數(shù)，F(xiàn)n為刀具相對(duì)于工件的法向作用力，Vc為切削速度，Vr為臨界切削速度。當(dāng)Vc≥Vr時(shí)相當(dāng)于普通車削過程，作用于刀具后刀面上的摩擦力為μFn；當(dāng)Vc

圖1 超聲車削機(jī)理

基于上述理論，本文在CA6140普通車床上建立超聲車削加工系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由超聲發(fā)生器、換能器、變幅桿、刀具及測量設(shè)備等部分組成。利用該加工系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)超聲車削加工，并可獲得比普通車削更好的加工效果。

圖2 超聲車削加工系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)與分析

在相同的工藝參數(shù)條件下做有無超聲振動(dòng)的車削實(shí)驗(yàn)，工件選為本公司生產(chǎn)的5A06鋁合金，該材料的塑性較高，在加工中極易產(chǎn)生積屑瘤，且粘刀現(xiàn)象非常嚴(yán)重，很難獲得好的已加工表面質(zhì)量，為獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用熱硬性和耐磨性相對(duì)較好的CCMT120404-HM Y BM251型硬質(zhì)合金涂層刀具。

2.1 切削力分析

主切削力的大小約為總切削力的80%～90%，方向與主運(yùn)動(dòng)速度方向和超聲振動(dòng)方向相同，是監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)的主要分力，因此在這里主要分析主切削力。利用普通車削方法和超聲車削方法得到的主切削力對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 切削力對(duì)比結(jié)果

從圖3能明顯看出，超聲車削的主切削力小于普通車削很多，原因在于超聲車削是在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的微量車削過程，刀具在極小的位移上獲得較大的瞬時(shí)速度與加速度，局部產(chǎn)生很高的沖擊能量導(dǎo)致切削區(qū)材料迅速變形，摩擦系數(shù)降低，塑性變形減小，從而降低了切削力。在理想的情況下，與普通車削相比超聲車削的動(dòng)摩擦系數(shù)可下降近10倍，其關(guān)系式為：

式中，μUAT和μCT分別為超聲車削和普通車削的動(dòng)摩擦系數(shù)。

2.2 刀具磨損分析

刀具的后刀面與已加工表面之間的摩擦導(dǎo)致切削刃耗失而引起后刀面磨損，它影響已加工工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，在實(shí)際應(yīng)用中一般把后刀面磨損作為刀具磨損標(biāo)準(zhǔn)。利用普通車削方法和超聲車削方法得到的后刀面磨損對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 刀具磨損對(duì)比結(jié)果

從圖4可以明顯看到，在相同的切削條件下普通車削的刀具已經(jīng)出現(xiàn)破損現(xiàn)象，而超聲車削的刀具還處于正常的磨損階段，驗(yàn)證了超聲車削對(duì)刀具磨損的抑制作用。超聲車削的后刀面磨損之所以會(huì)小于普通車削，主要包括以下幾點(diǎn)原因：①超聲振動(dòng)的作用能降低刀具與工件接觸時(shí)的摩擦系數(shù)；②在超聲車削加工過程中，刀具與切屑的分離作用使得刀具與工件的粘附現(xiàn)象減少，同時(shí)也破壞了與鱗刺的產(chǎn)生條件，使摩擦力減??；③在超聲振動(dòng)的輔助作用下提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及剛度。

2.3 表面質(zhì)量分析

較低的切削力和較輕的刀具磨損有助于改善已加工表面質(zhì)量、提高加工精度。利用普通車削方法和超聲車削方法得到的表面粗糙度對(duì)比結(jié)果如圖5所示。從圖5中能看出，在50 mm的測量長度內(nèi)，普通車削的表面高度范圍明顯大于超聲車削，測量得出普通車削的表面粗糙度R a約為1.5 μ m，而超聲車削的表面粗糙度R a只有約為0.8 μ m，施加超聲振動(dòng)后表面粗糙度的降低幅度非常大，降低約47%。

圖5 表面粗糙度對(duì)比結(jié)果

為了進(jìn)一步證明超聲車削的已加工表面質(zhì)量好于普通車削，利用普通車削方法和超聲車削方法得到如圖6所示的已加工表面形貌對(duì)比結(jié)果。

TG506.5；TH161

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1671-0711（2016）10（上）-0111-03