張明亮，姜興剛，劉佳佳 ，韓 雄 ，張德遠(yuǎn)

（1.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京100191；2.航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都610092；

3.北京航空航天大學(xué)沈元榮譽學(xué)院，北京100191）

鈦合金具有較高的比強度和較好的耐腐蝕性及耐熱性，特別是在高溫（300～400℃）條件下仍可保持這些特性，已成為航空航天領(lǐng)域及船舶領(lǐng)域中較重要的工程材料之一，并得到廣泛應(yīng)用[1-3]，但同時也給加工制造帶來了難題。鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)件在加工過程中的受力形式更復(fù)雜，對切削力的要求更高。超聲振動切削技術(shù)是通過在切削刀具或加工工件上附加超聲頻橢圓振動，使刀尖相對于加工工件按橢圓軌跡進(jìn)行振動，能實現(xiàn)高頻斷續(xù)振動切削。相比普通切削技術(shù)，超聲波橢圓振動切削技術(shù)更有助于降低切削力和切削溫度，可降低刀具磨損及延長刀具壽命[4-7]；相比傳統(tǒng)超聲振動切削技術(shù)，其“分離特性”更徹底，可使切削區(qū)打開，便于切削液進(jìn)入切削區(qū)內(nèi)部，從而實現(xiàn)切削區(qū)及刀具的冷卻，進(jìn)而降低切削溫度及切削力，延長刀具壽命[8]。

銑削是機械加工中應(yīng)用最廣泛的加工方式，與車削不同，在銑削過程中銑刀做旋轉(zhuǎn)運動，每齒之間為斷續(xù)切削，對其刀尖運動的分析較復(fù)雜。普通銑削加工時，刀尖運動由主軸回轉(zhuǎn)運動和進(jìn)給運動組成，而超聲橢圓振動則更復(fù)雜，其刀尖在做主軸回轉(zhuǎn)運動和進(jìn)給運動的同時，還附有高頻橢圓振動[9]。本文利用自行研制的螺紋式橢圓激勵式超聲振動銑削刀柄系統(tǒng)，通過改變每齒進(jìn)給量，對鈦合金薄壁件進(jìn)行了超聲橢圓振動銑削與普通銑削的切削力對比實驗，證明了切削速度恒定、每齒進(jìn)給量在一定范圍內(nèi)變化時，超聲橢圓振動銑削鈦合金薄壁件可有效降低加工切削力。

1 超聲橢圓振動銑削機理

超聲橢圓振動銑削的特點是切削刀具的刀尖按橢圓軌跡運動，刀具對工件進(jìn)行高頻斷續(xù)切削?？僧a(chǎn)生超聲橢圓振動的刀柄結(jié)構(gòu)有多種，實驗采用了雙彎橢圓振動刀柄。由于兩彎曲振動的頻率相同，經(jīng)運動合成，即可在刀具斷面產(chǎn)生橢圓軌跡振動（圖 1）。

圖1 超聲橢圓振動銑削刀尖運動示意圖

在超聲橢圓振動銑削過程中，銑刀在進(jìn)行超聲橢圓振動的同時，也隨著主軸做回轉(zhuǎn)運動和進(jìn)給運動，即銑刀刀尖的運動軌跡由這3種運動合成。超聲橢圓振動的銑刀刀尖上任一點P的運動軌跡為：

式中：D為銑刀直徑；ωi為主軸回轉(zhuǎn)角速度；A、B分別為超聲橢圓振動軌跡在橢圓長、短軸二個方向的振幅；vf為進(jìn)給速度。

2 切削力對比實驗研究

對鈦合金薄壁件進(jìn)行銑削加工時，采用的銑削方式為圓周銑削（簡稱周銑）。周銑涉及的切削參數(shù)主要有：進(jìn)給速度vf、切削速度v、徑向切深ap及軸向切寬a。實驗主要針對進(jìn)給速度vf對鈦合金薄壁件切削力的影響，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為確定切削速度v、改變每齒進(jìn)給量來展開研究。

2.1 實驗設(shè)備及材料

超聲銑削刀柄是進(jìn)行超聲振動銑削加工的核心裝置，實驗采用螺紋式橢圓激勵式超聲振動銑削刀柄裝置。如圖2所示，該裝置由導(dǎo)電滑環(huán)、超聲橢圓振動銑削換能器、非標(biāo)BT50刀柄組成，能方便地與傳統(tǒng)銑床、加工中心連接，實現(xiàn)了高頻超聲橢圓振動銑削。

圖2 超聲縱振銑削刀柄裝置結(jié)構(gòu)圖

搭建的鈦合金薄壁件銑削實驗平臺見圖3，具體實驗條件如下：實驗平臺為BV100立式加工中心，刀具采用直徑為12 mm的四刃硬質(zhì)合金立銑刀，試件采用尺寸為70 mm×3.5 mm×60 mm的鈦合金TC4板料，采用微量潤滑系統(tǒng)進(jìn)行冷卻及Kistler 9254測力儀進(jìn)行測量。加工過程中，機床主軸中心氣冷，可使超聲銑削換能器長時間穩(wěn)定工作。

圖3 高速超聲橢圓振動銑削理論驗證實驗平臺

2.2 實驗方案

本文所提的超聲橢圓振動銑削方法主要針對精密切削加工。設(shè)計實驗方案時，改變了每齒進(jìn)給量，并觀察實驗效果。超聲橢圓振動銑削刀柄振動參數(shù)見表1，其他實驗參數(shù)為：切削速度v=120 m/min、軸向切深 ap=5 mm、徑向切深ae=0.2mm，每齒進(jìn)給量 fz分別為 0.01、0.015、0.02、0.025、0.03 mm。對鈦合金薄壁件進(jìn)行側(cè)銑實驗時，對比了超聲銑削、普通銑削二種方式的切削力大小及變化情況。

表1 超聲振動銑削刀柄振動參數(shù)

為了準(zhǔn)確測量普通切削和超聲橢圓振動切削的平均切削力，減小因?qū)Φ?、工件回彈等因素?dǎo)致的誤差，上述二種方法的切削力均在一次走刀過程中完成測量，且先測量普通切削的切削力，采集到穩(wěn)定信號后開啟超聲電源，轉(zhuǎn)換為超聲橢圓振動切削，再采集超聲橢圓振動切削的切削力信號。

3 實驗結(jié)果與討論

側(cè)銑過程中z方向幾乎不受力，故只關(guān)注x、y方向的切削力，并利用測力儀采集實驗過程中的切削力信號，結(jié)果見表2。

表2 每齒進(jìn)給量變化時的切削力變化

根據(jù)表2所示的數(shù)據(jù)，利用Origin軟件繪制折線圖（圖4）?？梢姡谇邢魉俣冉o定的前提下，每齒進(jìn)給量變化時，超聲橢圓振動銑削方式在二個方向上的力也均有所不同。對于側(cè)壁銑削而言，主切削力為x方向的Fx，其大小直接影響薄壁件銑削精度及刀具壽命。對比可知，隨著每齒進(jìn)給量fz的增加，二種銑削方式的Fx值均逐漸增大，超聲橢圓振動銑削在整個過程中的切削力都比普通銑削?。幌啾绕胀ㄣ娤?，超聲橢圓振動銑削Fx方向的力下降幅度在35%以上，且基本穩(wěn)定。而在Fy方向，該趨勢依然保持。由此可證明，在切削速度v確定的條件下，每齒進(jìn)給量fz在一定范圍內(nèi)變化時，超聲橢圓振動銑削鈦合金薄壁件可有效降低加工時的切削力。

圖4 切削力隨每齒進(jìn)給量變化曲線

4 結(jié)束語

本文利用自行研制的螺紋式橢圓激勵式超聲振動銑削刀柄裝置進(jìn)行實驗，驗證了超聲橢圓振動銑削機理的正確性。鈦合金薄壁件銑削切削力的對比實驗結(jié)果表明：相較于普通銑削，隨著每齒進(jìn)給量的增大，超聲橢圓振動銑削均可減小鈦合金弱剛性結(jié)構(gòu)件銑削加工過程中的切削力，降幅可達(dá)35%以上，切削力的下降有助于提高薄壁件加工精度、延長刀具壽命及提高表面質(zhì)量等。

[1] 裴東，王波.鈦合金的切削加工工藝綜述[J].黑龍江科技信息，2011（28）：95.

[2] 劉彬，劉延斌，楊鑫，等.TITANIUM 2008：國際鈦工業(yè)、制備技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀 [J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2009，14（2）：67-73.

[3] PETERS M，KUMPFERT J，WARD C H，et al.Titanium alloys for aerospace applications [J]. Advanced Engineering Materials，2010，5（6）：419-427.

[4] 張德遠(yuǎn)，辛文龍，姜興剛，等.超聲加工研究的趨勢[C]//第16屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集 （下）.廈門，2015：327-331.

[5] MORIWAKI T，SHAMOTO E. Ultrasonic elliptical vibration cutting [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，1995，44（1）：31-34.

[6] SHAMOTO E，MORIWAKI T.Study on elliptical vibration cutting [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，1994，43（1）：35-38.

[7] 季遠(yuǎn)，李勛，張德遠(yuǎn).超聲橢圓振動精密切削[J].航空制造技術(shù)，2005（4）：92-95.

[8] 王桂林，段夢蘭，張德遠(yuǎn).高頻超聲橢圓振動精密切削[J].制造技術(shù)與機床，2010（3）：53-56.

[9] GENG Daxi，ZHANG Deyuan，XU Yonggang，et al.Rotary ultrasonic elliptical machining for side milling of CFRP：Tool performance and surface integrity[J].Ultrasonics，2015，59：128-137.