趙甘霖，馮平法，2，*，張建富

（1.清華大學(xué) 機(jī)械工程系 精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2.清華大學(xué) 深圳研究生院 先進(jìn)制造學(xué)部，深圳518055）

鈦合金具有相對于傳統(tǒng)鋼材質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、熱硬性好、低溫性能好等一系列優(yōu)異的性能，所以鈦合金逐漸被廣泛應(yīng)用到航空航天、醫(yī)療器械、航海艦船、石油化工等諸多領(lǐng)域，被人們冠以“全能金屬”、“太空金屬”等稱號［1-4］。但是鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低、塑性差、彈性模量低等特點(diǎn)，造成其切削性能很差。尤其是在使用麻花鉆的傳統(tǒng)鉆削工藝中，加工過程經(jīng)常伴隨著較高的切削溫度和切削力，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，加工效率很低，最終使得鈦合金鉆削加工的成本居高不下，加工效率十分堪憂［5-7］。

超聲振動鉆削技術(shù)是一種新興的特種精密加工技術(shù)，它是在傳統(tǒng)的鉆削刀具上施加一個(gè)超聲頻率振動，使刀具鉆削的運(yùn)動變?yōu)橹鬏S旋轉(zhuǎn)、軸向進(jìn)給和高頻振動的疊加運(yùn)動，改變了原有的切削原理和鉆頭運(yùn)動狀況，從而產(chǎn)生了全新的加工特征與工藝特性。根據(jù)目前應(yīng)用超聲振動鉆削技術(shù)加工不同材料的研究來看，超聲振動鉆削具有減小切削力、降低切削溫度、改善刀具磨損等優(yōu)異的效果［8］，而這些正是鉆削鈦合金時(shí)亟需解決的問題，可以展望超聲振動鉆削技術(shù)在鈦合金鉆削上具有較好的應(yīng)用前景。

目前，超聲振動鉆削技術(shù)在硬脆材料孔加工領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但在鈦合金等難加工材料孔加工領(lǐng)域還處于研究和可行性驗(yàn)證階段。Paktinat和Amini［9］得出超聲振動鉆削可以降低鈦合金鉆削軸向力。Onikura等［10］通過實(shí)驗(yàn)得出超聲振動可以減少切屑與前刀面間的摩擦力使得切削厚度更薄。Azarhoushang和Akbari［11］發(fā)現(xiàn)超聲振動鉆削技術(shù)可以明顯改善孔的表面質(zhì)量、出口毛刺、孔精度和圓柱度等加工參數(shù)，對于改善孔加工質(zhì)量有著積極的意義。閆明鵬和邵華［12］通過仿真發(fā)現(xiàn)超聲振動鉆削的減摩作用改善了鈦合金鉆削的散熱條件，從而延長了刀具壽命。聶倩倩［13］發(fā)現(xiàn)超聲振動鉆削能有效降低鈦合金鉆孔的圓度誤差，且提高了排屑性能。總體來看，目前針對鈦合金超聲鉆削的研究大多集中于一維的縱振加工，對于扭振和縱扭復(fù)合的超聲鉆削研究較少。

本文通過Deform-3D仿真軟件研究了鈦合金超聲振動鉆削的切削加工過程且進(jìn)行了不同工藝之間的對比，重點(diǎn)分析了超聲縱扭復(fù)合振動鉆削，并搭建以超磁致伸縮材料為換能器材料的超聲加工試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)對比驗(yàn)證，通過仿真和試驗(yàn)研究了鈦合金超聲振動鉆削相對于傳統(tǒng)鉆削的部分工藝特性。

1 超聲振動鉆削系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)特征

由于使用麻花鉆的傳統(tǒng)鉆削技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的孔加工方式［14］，所以目前絕大多數(shù)的超聲振動鉆削系統(tǒng)采用的是在麻花鉆的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)換能器、變幅桿和連接結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)麻花鉆切削部分的一個(gè)超聲振動效果。一個(gè)典型的超聲縱扭復(fù)合振動鉆削系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1中，縱振是指與進(jìn)給方向相同疊加的超聲振動，扭振是指振動方向與主軸旋轉(zhuǎn)方向相同疊加的超聲振動，所以一維的超聲縱振鉆削就可以看做扭振振幅為零的二維縱扭復(fù)合的特殊情況。

傳統(tǒng)鉆削中鉆頭主切削刃上最外側(cè)一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡方程為

圖1 典型超聲縱扭復(fù)合振動鉆削系統(tǒng)Fig.1 Typical ultrasonic longitudinal-torsional composite drilling system

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速，r／min；fz為進(jìn)給速度，mm／r；R為鉆頭半徑，mm；t為時(shí)間；x、y和z為鉆頭主切削刃最外側(cè)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置，且z為鉆頭進(jìn)給方向。

對于超聲縱扭復(fù)合振動鉆削，假設(shè)初始相位為零，則軌跡方程變?yōu)?/p>

式中：A為縱振振幅，mm；φt為扭振角振幅，rad；f為縱扭振動頻率，Hz。

當(dāng)R＝0.5mm，n＝5000 r／min，fz＝0.06mm／r，A＝0.005mm，f＝20 000Hz，φt＝0.01 rad時(shí)，通過MATLAB仿真可繪制出切削刃最外側(cè)點(diǎn)的切削運(yùn)動軌跡如圖2所示。

超聲振動的疊加使得切削刃的運(yùn)動軌跡不再是單一的等螺距勻速螺旋線運(yùn)動，超聲鉆削的軌跡是一個(gè)鉆頭與工件不斷分離、接觸、沖擊的過程。這樣的切削方式將傳統(tǒng)鉆削的連續(xù)切削轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)切削。若以橫刃接觸工件與否作為判斷依據(jù)，則可以近似算出超聲振動鉆削過程中鉆頭與工件接觸的時(shí)間占總體加工時(shí)間的比例：

圖2 鉆頭切削刃最外側(cè)點(diǎn)運(yùn)動軌跡Fig.2 Track of outermost point of drill cutting edges

代入上述實(shí)例數(shù)據(jù)可得Q＝2.5%，可知超聲振動使鉆頭與工件產(chǎn)生周期性分離，大幅降低了鉆頭與工件的接觸時(shí)間，也即減小了刀具和工件之間因摩擦和撞擊產(chǎn)生的切削熱。分離時(shí)間使刀具能夠與空氣或切削液之間進(jìn)行充分的熱交換，從而增加了刀具的散熱能力。在鈦合金切削中對刀具壽命影響最大的因素就是切削過程中的高溫，超聲鉆削的斷續(xù)切削特性為改善鈦合金鉆削時(shí)刀具溫度高、壽命低的問題提供了一個(gè)有效途徑。

根據(jù)軌跡方程可以分別計(jì)算得出傳統(tǒng)鉆削和超聲縱扭復(fù)合振動鉆削切削刃上最外側(cè)一點(diǎn)的瞬時(shí)運(yùn)動速度VN和VU分別為

取R＝0.5mm，n＝5000 r／min，fz＝0.06mm／r，A＝0.005mm，f＝20 000Hz，φt＝0.01 rad，可得傳統(tǒng)鉆削切削刃最外側(cè)一點(diǎn)的運(yùn)動速度為一定值VN＝261.8mm／s。對于超聲振動鉆削，通過MATLAB畫出VU隨時(shí)間變化的速度曲線，如圖3所示。可見，切削速度相對傳統(tǒng)鉆削較大幅度提升，最高運(yùn)動速度達(dá)到4倍以上。這意味著超聲縱扭復(fù)合振動鉆削的切削速度相對傳統(tǒng)鉆削有較大提高，具有高速切削的特征，對于降低切削力和提高切削效率有積極影響。

圖3 超聲振動鉆削切削刃最外側(cè)點(diǎn)運(yùn)動速度曲線Fig.3 Motion speed curve of outermost point of cutting edges in ultrasonic vibration drilling

2 鈦合金超聲振動鉆削仿真

2.1 仿真前處理

為研究鈦合金超聲振動鉆削在軸向力和切削溫度方面的工藝特性，基于Deform-3D軟件建立了鈦合金鉆削的有限元仿真模型。工件材料為使用最為廣泛的Ti6Al4V，刀具采用傳統(tǒng)鉆削鈦合金中常用的硬質(zhì)合金鎢鋼（WC-Co）麻花鉆。2種材料的基本參數(shù)見表1。

設(shè)置刀具為剛體，工件為塑性體。刀具為直徑為1mm、螺旋角為30°的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，工件為φ1.5mm×0.5mm的圓柱體，并取麻花鉆完全鉆入的時(shí)刻作為仿真起始。有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖4。

在保證初始進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速不變的前提下，分別對傳統(tǒng)鉆削、一維超聲縱振鉆削和二維超聲縱扭復(fù)合振動鉆削進(jìn)行鈦合金鉆削仿真，對比3種加工方式的工藝特性。取麻花鉆尖端橫刃的縱振振幅為0.005mm，麻花鉆繞主軸旋轉(zhuǎn)的扭振角振幅為0.01 rad，即切削刃最外側(cè)一點(diǎn)的扭振振幅為0.005mm。具體的仿真參數(shù)見表2。

超聲振動加工仿真中，進(jìn)給速度和切削速度需要分別疊加縱向和扭轉(zhuǎn)的振動，具體計(jì)算依據(jù)式（5）。由于超聲振動頻率很高，速度變化頻率很快，可將簡諧振動的速度函數(shù)近似看為鋸齒波，具體速度函數(shù)設(shè)置如圖5所示。圖中：v為超聲縱振進(jìn)給速度，ω為超聲扭振切削速度。

表1 刀具與工件材料參數(shù)Tab le 1 M aterial param eters of tool and w orkpiece

圖4 麻花鉆及工件有限元模型Fig.4 Finite elementmodel of twist drill and workpiece

最后設(shè)定仿真步長為5×10－6s，是20 000 Hz超聲振動周期的十分之一，保證可以較準(zhǔn)確地模擬每個(gè)振動周期內(nèi)的鉆削加工情況。取整體鉆削深度為0.01mm。

表2 仿真參數(shù)Tab le 2 Sim u lation param eters

圖5 鉆削仿真速度函數(shù)Fig.5 Speed function of drilling simulation

2.2 鉆削軸向力

鈦合金鉆削中的軸向力也即鉆頭的z方向載荷是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，過大的軸向切削力會導(dǎo)致鉆頭磨損和發(fā)熱嚴(yán)重，降低加工效率和質(zhì)量。鈦合金由于其硬度高、變形系數(shù)小、硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，鉆削時(shí)往往會伴隨較大的切削力，這一點(diǎn)限制了鈦合金鉆削時(shí)的切削速度和進(jìn)給速度，是鈦合金加工效率低的一個(gè)重要原因。

仿真中取鉆削時(shí)間為2360μs，即鉆頭位移大致為0.01mm的過程進(jìn)行軸向力分析對比，3種不同加工方式的軸向力曲線如圖6所示。

由圖6可知，傳統(tǒng)鉆削中軸向力是一個(gè)不斷上升再趨于平穩(wěn)的過程，而超聲振動鉆削中軸向力是一個(gè)振蕩上升的過程，在鉆頭接觸工件時(shí)達(dá)到一個(gè)局部軸向力的峰值，而在鉆頭與工件分離時(shí)軸向力幾乎降為零。取每個(gè)振動周期中的最大軸向力進(jìn)行比較，在軸向力較為穩(wěn)定的階段（0.0015～0.002 36 s），圖6（a）～（c）中的軸向力平均值分別為338.4、190.9、173.6N，相對傳統(tǒng)鉆削，超聲縱振鉆削和超聲縱扭復(fù)合振動鉆削的平均軸向力分別降低了43.6%和48.7%。

圖6 不同加工方式的鈦合金鉆削軸向力曲線Fig.6 Axial force curves of titanium alloy drilling with different processing methods

超聲振動鉆削由于斷續(xù)切削和高速切削特性使得鈦合金鉆削過程中軸向力顯著降低，且縱扭復(fù)合振動具有更為顯著的降低軸向力的效果。

2.3 鉆削扭矩

在仿真時(shí)間2 360μs時(shí)，分析3種不同加工方式的扭矩分布，結(jié)果如圖7所示。

扭矩的變化曲線與軸向力基本一致，按照相同的方法可以分別計(jì)算出圖7（a）～（c）中50～2 360μs時(shí)間段的平均扭矩分別為46.6、23.9和22.1N·mm。超聲縱振鉆削和超聲縱扭復(fù)合振動鉆削相對傳統(tǒng)鉆削的平均扭矩分別降低了48.7%和52.6%。超聲振動鉆削顯著降低了鈦合金鉆削時(shí)的扭矩，且縱扭復(fù)合振動鉆削相對縱振的鉆削扭矩進(jìn)一步下降，對于提高加工效率和加工質(zhì)量有著重要意義。

圖7 不同加工方式的鈦合金鉆削扭矩曲線Fig.7 Torque curves of titanium alloy drilling with different processing methods

2.4 切削溫度

鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低是其加工過程中伴隨著高溫的重要原因，切削刃局部的高溫會加劇刀具磨損，嚴(yán)重制約鈦合金的加工效率。鈦合金鉆削仿真中最高溫度發(fā)生時(shí)刻的溫度云圖如圖8所示?？芍獔D8（a）～（c）的最高切削溫度分別為437、528和363℃，同時(shí)再分析切削較為穩(wěn)定時(shí)刻的切削區(qū)域平均切削溫度，可得3種加工方式分別為100、50和40℃左右。從切削溫度分布結(jié)果中可知，超聲振動加工可以降低鈦合金鉆削的平均切削溫度達(dá)到50%以上，但是超聲縱振會因切削刃與工件不斷的沖擊導(dǎo)致切削刃上產(chǎn)生局部短時(shí)高溫，且溫度會超過傳統(tǒng)鉆削的極值，總體來看扭振對于降低切削溫度的效果優(yōu)于縱振。超聲振動加工降低切削溫度的工藝特性能夠較大程度上改善鈦合金鉆削時(shí)的發(fā)熱情況，也驗(yàn)證了此前理論分析中斷續(xù)切削降低切削溫度的事實(shí)，所以超聲振動鉆削鈦合金可以顯著延長刀具壽命。

圖8 鈦合金鉆削仿真過程最高溫時(shí)刻切削溫度云圖Fig.8 Contour of the highest cutting temperature during titanium alloy drilling simulation process

綜上所述，通過切削仿真可以得出鈦合金超聲鉆削相比于傳統(tǒng)鉆削能夠有效降低軸向力、扭矩和切削溫度，同時(shí)二維振動切削相比一維具有進(jìn)一步地降低軸向力和切削溫度的效果，也即在傳統(tǒng)的一維縱振加工中引入扭振分量是對于鈦合金鉆削加工有利的。

3 鈦合金超聲振動鉆削試驗(yàn)

試驗(yàn)基于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的大功率超磁致伸縮超聲加工試驗(yàn)平臺進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖9所示。主要由超聲換能器、變幅桿、機(jī)床主軸、麻花鉆及夾具組成。麻花鉆和工件材料與仿真相同。試驗(yàn)前，利用Keyence LK-H008激光位移傳感器對麻花鉆尖端振幅進(jìn)行測量。

麻花鉆由于本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有很多螺旋形的排屑槽，這就導(dǎo)致了換能器產(chǎn)生的超聲縱波傳播到麻花鉆時(shí)會在螺旋槽和空氣的界面上發(fā)生折射與反射，導(dǎo)致產(chǎn)生橫波并改變縱波傳播方向。同時(shí)，由于麻花鉆的螺旋槽是連續(xù)的，所以對于每一個(gè)單獨(dú)的超聲波來說會經(jīng)過多次螺旋槽和空氣的界面，產(chǎn)生多次的反射和折射的超聲波。

圖9 超聲振動鉆削試驗(yàn)裝置Fig.9 Experimental devices of ultrasonic vibration drilling

從最終麻花鉆橫刃和切削刃處的振動模態(tài)分析，傳波到此位置的超聲波應(yīng)有各個(gè)方向的縱波和橫波，但還是以軸線方向的縱波為主，也就是縱振的分量。偏離軸線方向的縱波沿軸線方向的分量產(chǎn)生縱向振動，垂直于軸線的分量產(chǎn)生徑向振動，而橫波主要產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。所以帶有麻花鉆的超聲鉆削系統(tǒng)一般情況下必然是一個(gè)縱扭復(fù)合超聲鉆削系統(tǒng)。同時(shí)由于縱波和橫波的振源是相同的，所以二者具有相同的振動頻率。通過激光位移傳感器和仿真計(jì)算可以得到麻花鉆的超聲振動參數(shù)如表3所示。

鉆削參數(shù)如表4所示，采用對比試驗(yàn)的方式，分別用相同的刀具先后進(jìn)行傳統(tǒng)鉆削和超聲鉆削通孔的試驗(yàn)，利用Kistler 9256C2切削力測量系統(tǒng)測量鉆削過程中的軸向力與扭矩，并用SOIF 55XA顯微鏡觀察加工孔的孔徑和出口毛刺情況。

表3 麻花鉆超聲振動參數(shù)Tab le 3 U ltrasonic vibration param eters of tw ist d rill

表4 超聲鉆削試驗(yàn)參數(shù)Tab le 4 Experim ental param eters of u ltrasonic vibration d rilling

3.1 軸向力

從鉆頭接觸工件開始到鉆通全過程的軸向力變化情況如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)超聲與非超聲振動鉆削軸向力的變化趨勢基本相同，但明顯看出超聲振動鉆削中力的振蕩幅度要比傳統(tǒng)鉆削大很多，這與仿真中分析得出的結(jié)論是一致的。

圖10 軸向力數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig.10 Axial force data acquisition results

取鉆削平穩(wěn)階段計(jì)算平均軸向力，結(jié)果如表5所示，綜合來看平均軸向力降低幅度在20%左右，與仿真降低幅度的48.7%相比有一定誤差。誤差的原因有幾個(gè)方面：①由于仿真計(jì)算規(guī)模的限制，仿真和試驗(yàn)的邊界條件不完全相同，如冷卻條件、刀具剛度、刀屑摩擦系數(shù)等。②試驗(yàn)中測力儀對超聲頻切削力信號的響應(yīng)能力有限導(dǎo)致一定的測量誤差。③由于試驗(yàn)中超聲系統(tǒng)承受負(fù)載后振幅會一定程度上降低，從而導(dǎo)致實(shí)際軸向力降低幅度減小。但總體上仿真和試驗(yàn)的結(jié)論是一致的，即超聲振動鉆削能夠有效改善鈦合金的切削加工性能，提高斷屑能力，減小刀具摩擦，從而可以有效降低鉆削過程中的軸向力。

進(jìn)一步地，改變超聲電源的電壓，隨著電壓增大，超聲縱扭振幅也會隨之增加。通過調(diào)節(jié)電壓使得超聲系統(tǒng)縱振振幅從 0 逐步提高到0.025mm，此時(shí)扭振振幅依舊可通過仿真計(jì)算中的縱扭比近似得出。通過試驗(yàn)可得到超聲縱扭復(fù)合鉆削軸向力隨縱振振幅的變化情況，如圖11所示。可見，超聲振幅在一定范圍內(nèi)越大軸向力越小，所以增大超聲縱振振幅和扭振振幅有助于減小鈦合金鉆削的軸向力。

表5 平均軸向力試驗(yàn)結(jié)果Tab le 5 Experim ental resu lts of average axial force

圖11 軸向力隨縱振振幅變化Fig.11 Variation of axial force with amplitude

3.2 扭 矩

同樣可以通過試驗(yàn)獲得鉆削鈦合金過程中的扭矩隨時(shí)間變化曲線，并求取穩(wěn)定部分的平均值。具體測量值見表6。

試驗(yàn)得到的超聲振動鉆削平均扭矩相對非超聲振動鉆削下降40%左右。綜合仿真和試驗(yàn)結(jié)果來看，可以證明超聲振動鉆削具有顯著減小鈦合金鉆削扭矩的工藝特性，這對于提升鉆頭鉆削剛性、延長刀具壽命和提高加工孔質(zhì)量有著重要作用。

表6 平均扭矩試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experim ental resu lts of average torque

3.3 出口毛刺

傳統(tǒng)鈦合金鉆孔過程中容易出現(xiàn)較大的孔徑誤差和出口毛刺，去除毛刺極大延長了生產(chǎn)周期以及增加了制造成本［15］。

分別取麻花鉆1-1的第1組試驗(yàn)和麻花鉆1-2的第1組試驗(yàn)加工后的4個(gè)孔在顯微鏡下觀察其孔徑和出口毛刺情況，對比超聲和非超聲加工鈦合金加工質(zhì)量和精度的差別。結(jié)果如圖12和表7所示。

圖12 出口毛刺顯微照片F(xiàn)ig.12 Micrographs of exit burrs

表7 孔徑和出口毛刺高度測量結(jié)果Tab le 7 M easurem ent resu lts of hole diam eter and exit burrs heigh t

根據(jù)測量結(jié)果可以看出，4組試驗(yàn)的孔出口處均存在毛刺現(xiàn)象，但對比來看，2個(gè)超聲加工孔的出口毛刺高度較低。非超聲振動鉆削由于切削力大且為連續(xù)切削，同時(shí)也因?yàn)殁伜辖鸬乃苄暂^低，導(dǎo)致出口處有較多因撕裂而產(chǎn)生的出口毛刺且毛刺高度顯著高于超聲振動鉆削。另外根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以看出，超聲振動鉆削鈦合金的孔徑的平均誤差與極差均小于非超聲振動鉆削。這是由于在傳統(tǒng)鉆削鈦合金的加工中切削力較大，且切屑多為連續(xù)不易斷，導(dǎo)致在鉆削過程中鉆頭很容易發(fā)生引偏，從而造成較大的孔徑誤差。在超聲振動加工中，斷續(xù)切削的特性使得鉆頭與工件不斷接觸和分離，在分離階段鉆頭可以及時(shí)恢復(fù)因接觸工件而發(fā)生的引偏，減少鉆頭側(cè)向偏移的幅度。超聲振動鉆削良好的斷屑特性使得切屑可以被及時(shí)切斷，防止其影響加工質(zhì)量。

相對而言，超聲振動鉆削的加工質(zhì)量要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鉆削，這證明了超聲加工在改善鈦合金鉆削出口質(zhì)量和加工精度方面有著積極的作用。

4 結(jié) 論

1）超聲振動鉆削的斷續(xù)切削特性大幅降低了鉆削過程中工件和刀具的接觸時(shí)間，提升了切削刃的運(yùn)動速度，改善了鉆削過程中散熱環(huán)境并且提高了鉆削效率。

2）仿真和試驗(yàn)表明，相比傳統(tǒng)鉆削，鈦合金超聲振動鉆削可以顯著降低鉆削軸向力、扭矩和平均切削溫度，減少出口毛刺高度和孔徑誤差，對提高鈦合金加工效率和改善加工質(zhì)量有積極作用。

3）鈦合金超聲縱扭復(fù)合振動鉆削相比超聲一維縱振鉆削可以進(jìn)一步降低鉆削軸向力、扭矩和切削溫度，體現(xiàn)出更好的鉆削工藝特性。