封志彬，童景琳

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鈦合金超聲扭振銑削強度優(yōu)化設(shè)計仿真

封志彬，童景琳

(河南理工大學(xué)機械動力與工程學(xué)院，河南焦作 454003)

鈦合金具有比強度大、熱傳導(dǎo)率低等特點，對其進(jìn)行強度優(yōu)化設(shè)計仿真，可以提高其切削加工性能。運用Abaqus軟件建立了二維超聲扭振銑削模型，并采用John-cook分離準(zhǔn)則、任意的拉格朗日-歐拉(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)網(wǎng)格劃分方法和施加相應(yīng)邊界等條件，根據(jù)刀-屑的周期分離原理，確立了接觸率與角速度、振動頻率和超聲振幅之間的關(guān)系。此外，采用單因素法依次改變角速度、頻率和振幅，以此進(jìn)行強度優(yōu)化設(shè)計仿真。結(jié)果表明，切削力和溫度均隨角速度的增加而增加；振幅的增大使得切削力有所降低，而溫度卻有所上升；頻率的變化對兩者影響不大。并得出結(jié)論：給定參數(shù)范圍內(nèi)，影響切削力的權(quán)重依次為振幅、角速度和頻率；影響溫度的權(quán)重依次為角速度、振幅和頻率。

超聲扭振；有限元仿真；鈦合金

0 引言

難加工材料鈦合金具有比強度大、硬度高和密度小等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。但是，鈦合金的熱傳導(dǎo)率較低，導(dǎo)致熱量聚集在刀尖部，極易引起刀具的局部溫度升高，從而加快了刀具的磨損。同時，隨著航空零件的設(shè)計越來越復(fù)雜，工藝要求也越來越高，傳統(tǒng)的金屬切削加工方法已經(jīng)無法滿足這一要求。

超聲輔助切削加工與普通切削加工相比，特別在難加工材料的加工過程中對于降低切削力和改善表面質(zhì)量效果顯著[1-4]。因此，超聲輔助切削加工廣泛應(yīng)用于精加工、超精加工領(lǐng)域。目前的超聲輔助加工的振動模式主要有一維超聲縱振[5-8]、二維超聲橢圓振動[9]、超聲縱扭復(fù)合振動[10]和超聲縱振側(cè)銑代替超聲扭振[11]等。其中，前兩者主要應(yīng)用于車削加工；而超聲縱扭復(fù)合則主要用于銑削加工，但縱振的存在不可避免地迫使刀具后刀面要不斷沖擊工件表面，一定程度上影響了刀具的壽命尤其端銑難加工材料。超聲縱振側(cè)銑可近似替代超聲扭振，對改善表面質(zhì)量有一定的幫助，但并不是真正意義上的超聲扭振切削。扭轉(zhuǎn)振動是指在刀具施加扭振，不僅可以較好地實現(xiàn)銑削過程中刀-屑分離，而且有效避免了沖擊。同時，為了獲得超聲銑削中各工藝參數(shù)對切削力和溫度的影響，并進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)。借助有限元軟件Abaqus建立了超聲銑削二維模型，分別得到了不同轉(zhuǎn)速、振動頻率和超聲振幅對切削力和溫度影響的趨勢圖；探討了轉(zhuǎn)速、振動頻率和超聲振幅對切削力和溫度場的影響。

1 超聲銑削扭振切削理論基礎(chǔ)

1.1 超聲銑削扭振加工過程運動分析

超聲扭振加工與超聲縱振加工的不同主要在于切削加工過程中，刀尖在切削旋轉(zhuǎn)方向的平面內(nèi)既要沿著軸線旋轉(zhuǎn)又時時刻刻以一定的周向振幅周期振動。一旦銑削過程中扭振角速度大于銑削角速度，在某一個時刻刀具和切屑便分離，稱之為分離型[9]；反之稱之為不分離型，超聲扭轉(zhuǎn)振動銑削二維模型圖如圖1所示。

圖1 超聲扭轉(zhuǎn)振動銑削二維模型

由圖1可得刀具的周向振動位移為[10]

工件的位移為

則有：

1.2 超聲銑削扭振加工過程接觸率的分析

在超聲扭振銑削加工過程中，影響接觸率的因素有很多，其中主要的因素有轉(zhuǎn)速、振動頻率和超聲振幅。為了避免浪費更多的精力從各個角度計算對切削力的影響，可以通過接觸率的變化來直接判斷各因素對切削力的影響。因此，接觸率的研究十分有必要。

由此得到了接觸率與角速度、振動頻率和振幅之間的關(guān)系。為了更直觀地表達(dá)接觸率與三個變量之間的關(guān)系，固定其中任意兩個變量，用Matlab求解并輸出接觸率隨第三個變量的趨勢圖，分別得到了當(dāng)振幅為0.000 571 rad、振動頻率為35 kHz時，角速度對接觸率的影響趨勢圖如圖3所示；當(dāng)角速度為41.88 rad·s-1、頻率為35 kHz時，振幅對接觸率的影響趨勢圖如圖4所示；當(dāng)角速度為41.88 rad·s-1、振幅為0.000 285 rad時，振動頻率對接觸率的影響趨勢圖如圖5所示。

由圖4和圖5可知，隨著振動頻率和振幅的逐漸增大，接觸率在逐漸減?。挥蓤D3可知，隨著角速度的不斷增大，接觸率也逐漸增大。由此，可以將角速度、振動頻率和超聲振幅對切削力的影響轉(zhuǎn)化為接觸率對切削力的影響，這樣就使問題變得更加直觀和簡明。

圖2 扭轉(zhuǎn)振動中刀具與工件的接觸情況

圖3 轉(zhuǎn)速對接觸率的影響趨勢圖