杭 華，王 鵬

（1. 柏宜照明（上海）股份有限公司，上海 201712；2. 上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空航天、汽車(chē)電子、船舶、化工、儀表等制造行業(yè)，對(duì)各種機(jī)械零件加工精度和表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高。同時(shí)，隨著新型材料不斷出現(xiàn)，不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金及復(fù)合材料等各種難加工材料在機(jī)械制造中被廣泛采用，對(duì)切削加工提出更高的要求[1]。

孔加工在金屬切削加工中占有重要地位?？准庸た偳谐空冀饘偾邢骷庸さ娜种唬@頭總產(chǎn)量占總刀具的百分之六十[2]。目前，世界每年消耗的各類(lèi)鉆頭數(shù)以?xún)|計(jì)，鉆頭的應(yīng)用不只局限在機(jī)械行業(yè)，鉆削工藝在生物化工器械、醫(yī)療手術(shù)儀器、測(cè)量勘測(cè)設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

鈦是一種相對(duì)較輕的金屬，鈦的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在相對(duì)較高的溫度下也能保持穩(wěn)定[3]。鈦合金因具有高的強(qiáng)度重量比和耐高溫腐蝕，已應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)段、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、排氣裝置等零件的制造[4]。由于Ti6Al4V高強(qiáng)度等性能屬于難加工材料。同時(shí)，因其低導(dǎo)熱性和易磨損性，Ti6Al4V通常以較低的切削速度和進(jìn)給量加工，導(dǎo)致加工效率低下[5]。Ti6Al4V斷屑性能差，切屑容易纏繞在刀具及工件之上，影響工件加工表面質(zhì)量，易造成刀具破損或磨損[6]。因此，斷屑控制得到重點(diǎn)關(guān)注，為了提高切削加工生產(chǎn)效率，必須控制切屑形態(tài)，斷屑問(wèn)題已成為急待解決的難題[7]。

針對(duì)鈦合金傳統(tǒng)鉆削過(guò)程中難加工問(wèn)題，本文擬利用Deform-3D有限元仿真技術(shù)，對(duì)超聲振動(dòng)輔助鉆削的切削力、等效應(yīng)力及切屑溫度進(jìn)行分析，探索其切削力、等效應(yīng)力和切削溫度等切削性能，研究并完善超聲振動(dòng)輔助鉆削鈦合金加工機(jī)理。

1 超聲振動(dòng)輔助鉆削原理

超聲振動(dòng)輔助鉆削中的振動(dòng)系統(tǒng)主要包括：超聲發(fā)生器，換能器，變幅桿等裝置。超聲發(fā)生器在超聲振動(dòng)切削過(guò)程中，它的功能是將50赫茲的交流電轉(zhuǎn)換成通過(guò)一定功率輸出的超聲電振蕩提供振動(dòng)能量的裝置。換能器的作用是將發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)[8]。超聲變幅桿又稱(chēng)超聲變速桿或超聲聚能器，是超聲振動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)不可或缺的組成部分[9]。

超聲振動(dòng)輔助鉆削是在普通鉆削的基礎(chǔ)上增加一個(gè)周期性的振動(dòng)，使切削用量按某種規(guī)律變化，以達(dá)到改善切削效能的一種新穎的加工方法。在振動(dòng)鉆削加工過(guò)程中，當(dāng)鉆頭與工件分離時(shí)，其速度的大小和方向都在不斷地變化，這使超聲振動(dòng)輔助鉆削在對(duì)難加工材料工藝的加工中，都取得了傳統(tǒng)鉆削工藝無(wú)法獲得的效果。

圖1 (a)超聲振動(dòng)輔助鉆削原理圖(b)超聲振動(dòng)輔助鉆削的刀齒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 (a) Ultrasonic vibration-assisted drilling schematic diagram (b) Ultrasonic vibration-assisted drilling tool tooth movement trajectory

超聲振動(dòng)輔助鉆削原理如圖 1(a)所示，在超聲振動(dòng)輔助鉆削過(guò)程中，頭沿其軸線旋轉(zhuǎn)并沿其軸線以高頻和小振幅振動(dòng)，而鉆頭沿其軸線相對(duì)于工件進(jìn)給移動(dòng)。如圖 l(b)所示，在超聲振動(dòng)輔助鉆削過(guò)程，刀具上每一刀齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條帶有正弦波振動(dòng)的三維螺旋曲線，其運(yùn)動(dòng)軌跡[10]可表示為

其中：R（mm）為刀具半徑；V（mm/r）為軸向進(jìn)給速度；ω（rad/s）為旋轉(zhuǎn)角速度；t（s）為時(shí)間；A（μm）為振幅；F（Hz）為振動(dòng)頻率。

2 有限元仿真模型

2.1 有限元建模

如圖2所示，采用UG設(shè)計(jì)了三種不同頂角的鉆頭。

圖2 三種不同點(diǎn)角鉆頭Fig.2 Three different angle drills

鉆頭1：直徑4 mm，頂角140°，螺旋角35°。主切削刃長(zhǎng)度較短的頂角度為140°時(shí)，主切削刃產(chǎn)生的切削力可明顯減小。

鉆頭2：直徑4 mm，頂角118°，螺旋角35°。從切削力和背向力的角度看，120°的頂角切削效果比較好。

鉆頭3：直徑4 mm，頂角100°，螺旋角35°。由于主切削刃長(zhǎng)度較長(zhǎng)，頂角為100°，單位切削刃上的載荷減小，這對(duì)鉆頭的軸向穩(wěn)定性是有效的，有效地提高了鉆頭的定位性能，簡(jiǎn)化了鉆削加工。

根據(jù)表1設(shè)置切削參數(shù)，進(jìn)行傳統(tǒng)鉆削和超聲振動(dòng)輔助鉆削加工。

表1 切削參數(shù)Tab.1 Cutting parameters

2.2 材料本構(gòu)模型

因?yàn)榻饘偾邢魇且粋€(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，伴隨著材料的大應(yīng)變、大應(yīng)變率和高溫效應(yīng)。采用式（2）中的Johnson-Cook材料模型[11]來(lái)定義材料變形，Johnson-Cook模型表示為三項(xiàng)的乘積，分別反映了應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化和溫度軟化[11]。

參數(shù)A，B，n，C，m為材料常系數(shù)，這些常數(shù)是在裂霍普金森棒試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定的，分別為屈服應(yīng)力、硬化模量、應(yīng)變硬化系數(shù)、應(yīng)變速率靈敏度和熱軟化。Ti6A14V的力學(xué)性能和熱性能如表2所示。

表2 Ti6A14V的材料常數(shù)Tab.2 Material constants of Ti6A14V

3 結(jié)果與分析

3.1 切削力

進(jìn)給量是影響Ti6A14V鉆削的主要參數(shù)之一。不同鉆頭幾何形狀的切削力呈現(xiàn)不同的鉆削規(guī)律。圖3為不同鉆頭鉆削Ti6A14V時(shí)進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)推力的影響。從圖 3(a)可以看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1000 rpm時(shí)，三種幾何鉆頭的推力隨著進(jìn)給速度的增加而增大。這可能是由于進(jìn)給量的增加導(dǎo)致未切削切屑厚度的增加，從而導(dǎo)致更硬的切屑形成，從而導(dǎo)致推力的增加。從圖 3(b)可以看出，當(dāng)進(jìn)給速度為0.05 mm/r時(shí)，三種幾何鉆頭的推力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而增大。三種幾何鉆頭在0.05 mm/r進(jìn)給速度下，UAD產(chǎn)生的推力分別降低了 20.10%、14.30%和18.80%。三種幾何鉆頭在1000rpm主軸轉(zhuǎn)速下UAD產(chǎn)生的推力分別下降16.63%、20.00%和18.20%。Pujana等人分析了Ti6Al4V的UAD，觀察到使用UAD時(shí)推力降低了10-20%[12]。這是由于在超聲振動(dòng)輔助鉆削中，脈沖式超聲切削鑿邊和鉆尖處的切削刃的超聲分離切削工藝極大地提高了排屑的去除效果并降低了摩擦效果[13]。

圖3 不同進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響Fig.3 Influence of feed rate and spindle speed on thrust force when drilling Ti6A14V with different drills

3.2 等效應(yīng)力

圖4 為三種不同鉆頭進(jìn)給量為0.03 mm/r、主軸轉(zhuǎn)速為1000 rpm時(shí)，等效應(yīng)力在傳統(tǒng)鉆削和超聲振動(dòng)輔助鉆削中的分布情況。從圖 4(b1)和圖 4(b2)可以看出，鉆頭2在傳統(tǒng)鉆削和超聲振動(dòng)輔助鉆削中最大等效應(yīng)力最大，如圖 4(b1)和圖 4(b2)所示。在傳統(tǒng)鉆削和超聲振動(dòng)輔助鉆削中，高應(yīng)力始終位于主剪切帶和鑿刃擠壓帶，并隨這兩個(gè)區(qū)域的移動(dòng)而變化。特別是最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在唇邊交點(diǎn)處，此時(shí)工作材料的等效應(yīng)變較大，靜水壓力較原剪切帶其他部位小。同時(shí)，超聲振動(dòng)輔助鉆削的最大等效應(yīng)力小于傳統(tǒng)鉆削。

3.3 切削溫度

圖5為三種不同鉆頭在傳統(tǒng)鉆削和超聲振動(dòng)輔助鉆削中的溫度分布?？梢钥闯?，在傳統(tǒng)鉆削中，最大溫度主要來(lái)自鉆頭刃口與前刀面的接觸區(qū)域之間的切割區(qū)域，而超聲振動(dòng)輔助鉆削中則發(fā)生在切屑中。這可以歸因于鈦合金鉆孔過(guò)程的切削溫度主要來(lái)自于刀具鉆頭刀尖的切削刃和孔的底部。超聲振動(dòng)輔助鉆削過(guò)程中由于鑿刃與切削刃以及孔底材料的周期性分離，超聲振動(dòng)輔助鉆削的切削熱主要集中在切屑上。

圖4 傳統(tǒng)鉆削（(a1)鉆頭1；(b1)鉆頭2；(c1)鉆頭3）和超聲振動(dòng)輔助鉆削（(a2)鉆頭1；(b2)鉆頭2；(c2)鉆頭3）中等效應(yīng)力的分布Fig.4 The distribution of effective stresses in CD ((a1) Drill 1; (b1) Drill 2; (c1) Drill 3) and UAD((a2) Drill 1; (b2) Drill 2; c2) Drill 3) for three different drills

圖5 傳統(tǒng)鉆削（(a1)鉆頭1；(b1)鉆頭2；(c1)鉆頭3）和超聲振動(dòng)輔助鉆削（(a2)鉆頭1；(b2)鉆頭2；(c2)鉆頭3）中溫度的分布Fig.5 The distribution of temperature in CD ((a1) Drill 1; (b1) Drill 2; (c1) Drill 3) and UAD((a2) Drill 1;(b2) Drill 2; (c2) Drill 3) for three different drills. Spindle speed 1000 rpm and feed rate 0.03 mm/r.

圖6 為不同鉆頭鉆進(jìn)Ti6A14V時(shí)進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響。從圖6可以看出，三種幾何鉆頭的溫度隨進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速的增加而升高。同時(shí)，在三種幾何鉆頭中，超聲振動(dòng)輔助鉆削的溫度低于傳統(tǒng)鉆削。三種幾何鉆頭在0.05 mm/r進(jìn)給量下，超聲振動(dòng)輔助鉆削產(chǎn)生的溫度分別降低了27.90%、30.00%和31.10%。在1000 rpm主軸轉(zhuǎn)速下，三種幾何鉆頭超聲振動(dòng)輔助鉆削產(chǎn)生的溫度分別下降了 7.74%、9.72%和 12.91%。其原因可能是在超聲振動(dòng)輔助鉆削的每個(gè)循環(huán)中，鉆具與切屑分離，這種間歇運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致鉆具與切屑之間的總傳熱時(shí)間減少[14]。

圖6 不同進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響Fig.6 Influence of feed rate and spindle speed on temperature when drilling Ti6A14V with different drills

4 結(jié)論

（1）在傳統(tǒng)鉆削和超聲振動(dòng)輔助鉆削中，結(jié)果的誤差率大約在3%到7%之間。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明有限元法是準(zhǔn)確的。

（2）與傳統(tǒng)鉆削相比，超聲振動(dòng)輔助鉆削的切削力平均下降13-22%，提高了鉆削能力。在傳統(tǒng)鉆削和超聲振動(dòng)輔助鉆削中，由于切削阻力的增加，切削力隨鉆頭的頂角的增大而增大。

（3）最大溫度主要來(lái)自于傳統(tǒng)鉆削中鉆頭刃口與前刀面的接觸區(qū)域之間的切削區(qū)，超聲振動(dòng)輔助鉆削中則發(fā)生在切屑中。與傳統(tǒng)鉆削相比，超聲振動(dòng)輔助鉆削中的溫度平均下降了 7-15%，這是由于鉆頭和切屑之間的間歇運(yùn)動(dòng)造成的。超聲振動(dòng)輔助鉆削的最大有效應(yīng)力小于傳統(tǒng)鉆削，可以降低刀具的磨損。超聲振動(dòng)輔助鉆削中鉆頭1的最大有效應(yīng)力最小。