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        微織構(gòu)刀具超聲銑削航空鋁合金的研究

        2021-06-05 07:32:36唐軍陳小靜趙波
        表面技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:振動深度

        唐軍,陳小靜,趙波

        (1.新鄉(xiāng)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南理工大學(xué),河南 焦作 454000)

        7075 鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系超硬鋁,具有良好的抗剝落腐蝕、抗應(yīng)力開裂和抗疲勞性能等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,如用于制造飛行器的整體結(jié)構(gòu)件和減速板等[1]。該材料在輕量化、薄壁化的使用過程中,其性能常會因工件表面的殘余應(yīng)力、粗糙度以及微織構(gòu)的變化而變化。通常在加工過程中直接改善工件表面質(zhì)量,來提高生產(chǎn)效率。目前,國內(nèi)外學(xué)者提出了許多改善工件表面質(zhì)量的方法,包括微織構(gòu)刀具加工[2]、預(yù)應(yīng)力加工[3]、插銑加工[4-5]、高速加工[6-7]、超聲加工[8]以及復(fù)合加工[9]等加工工藝。

        Olleak[10]以三維有限元仿真技術(shù)為基礎(chǔ),研究了無織構(gòu)、平行溝槽、垂直溝槽、對角溝槽、微坑、斜坑等六種形式對切削力、溫度、應(yīng)力分布及刀具磨損的影響規(guī)律,結(jié)果表明,微織構(gòu)刀具在降低切削力和切削溫度、應(yīng)力均化、減少磨損等方面具有顯著的優(yōu)勢,其中,垂直溝槽與斜溝槽的作用效果更加明顯。彭銳濤等[11]研制了一種軸類零件的預(yù)應(yīng)力車削夾具,并通過切削試驗得出,較低的切削速度和進(jìn)給量、較大的背吃刀量對工件表面獲取殘余壓應(yīng)力是有積極作用的。Yang 等[12]對比分析了表面無織構(gòu)及凹坑、橫向、縱向、正交織構(gòu)五種形式的硬質(zhì)合金刀具對TC4 的高速銑削情況,發(fā)現(xiàn)有織構(gòu)刀具加工的工件,隨切削行程增大,表面粗糙度呈較緩上升趨勢,表面顯微硬化程度整體呈現(xiàn)下降趨勢,表面變質(zhì)層中的C和O 含量較低。田榮鑫等[13]利用硬質(zhì)合金插銑加工TC17,發(fā)現(xiàn)工件表面的殘余壓應(yīng)力沿深度方向呈先增大、后減小、最后趨于零的趨勢。左敦穩(wěn)、許鴻昊等[14-15]將高速切削與預(yù)應(yīng)力加工進(jìn)行復(fù)合,提出了一種拉伸高速銑削工藝,通過切削試驗發(fā)現(xiàn),在不影響表面質(zhì)量的前提下,可以在工件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力層,有效延長了工件疲勞裂紋萌生壽命。劉戰(zhàn)強(qiáng)等[16]基于熱力耦合,建立了雙刃高速切削過程中切屑的溫度場,分析了鋁合金工件表面殘余拉/壓應(yīng)力的形成機(jī)理。Ping Guo 等[17]利用兩組壓電換能器呈60°布置的方法,實現(xiàn)了刀尖的橢圓振動,并對6061鋁合金進(jìn)行車削試驗,發(fā)現(xiàn)工件表面形成了一致的微織構(gòu)形貌特征。曹騰[18]利用超聲橢圓振動對工件表面進(jìn)行凹坑織構(gòu)化設(shè)計,發(fā)現(xiàn)經(jīng)設(shè)計后的工件摩擦系數(shù)顯著降低,工件的耐磨性能得到有效提高。張翔宇等[19]將超聲波橢圓振動應(yīng)用于高速切削 Ti-6Al-4V中,發(fā)現(xiàn)刀具壽命提高了300%,效率提高了90%,切削力降低了50%。姜興剛等[20]利用雙彎曲橢圓振動高速銑削TC4 鈦合金薄壁件,發(fā)現(xiàn)刀具的切削力降低了50%,刀具顫振得到了抑制,零件形位精度得到顯著提高[20]。張臣等[21]提出了一種針對超聲橢圓振動的轉(zhuǎn)角同步控制方法,在工件周面形成了矩形陣列織構(gòu)。佟欣等[22]對比分析了變密度微織構(gòu)和均勻分布微織構(gòu)球頭銑刀對鈦合金切削加工性能的影響,發(fā)現(xiàn)前者在提高刀具切削性能和工具表面質(zhì)量方面均具有顯著的優(yōu)勢。

        綜上所述,預(yù)應(yīng)力加工和插銑加工對加工工件的結(jié)構(gòu)形狀有較大的限制;高速加工對機(jī)床刀柄系統(tǒng)動平衡要求比較嚴(yán)格(即G2.5~G1.0)。相比較而言,微織構(gòu)刀具和超聲振動不僅對主軸系統(tǒng)要求低,且對工件形狀無特殊要求?;诖?,本文提出了一種微織構(gòu)超聲振動刀具系統(tǒng),通過切削試驗,研究分析切削參數(shù)對工件表面完整性參數(shù)(表面粗糙度、殘余應(yīng)力、顯微硬度和微觀織構(gòu))的影響規(guī)律。

        1 微織構(gòu)超聲振動銑削機(jī)理

        1.1 切削系統(tǒng)

        文獻(xiàn)[23-24]指出,較其他幾種微織構(gòu)形式(縱向溝槽、凹坑以及凸包),橫向溝槽織構(gòu)改善刀具切削性能的效果更為顯著。據(jù)此,在刀具前刀面上布置橫向溝槽織構(gòu),如圖1 所示。

        縱扭復(fù)合超聲振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。聲學(xué)系統(tǒng)主要包括五部分:超聲波電源、非接觸電能傳輸系統(tǒng)、縱振換能器、斜槽式縱扭變幅桿以及橫向溝槽微織構(gòu)銑刀。

        1.2 切削機(jī)理分析

        加工工件表面形貌特征與刀具形狀、運(yùn)行軌跡有密切關(guān)系。本文所使用的縱扭復(fù)合超聲微織構(gòu)銑削屬于超聲橢圓振動加工范疇。在整個切削過程中,微織構(gòu)刀具的運(yùn)動主要有進(jìn)給運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動以及縱扭復(fù)合超聲振動三部分組成。

        刀具采用的切削刃為圓角切削刃,幾何模型如圖3 所示,前刀面為Ar,后刀面為Aα,切削刃為S。

        圖1 橫向溝槽微織構(gòu)Fig.1 The transverse groove micro texture: a) groove size; b) 3D topography of grooves

        圖2 縱-扭復(fù)合超聲振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of longitudinal-torsional ultrasonic vibration system

        圖3 刀具幾何模型Fig.3 Tool geometrical model

        縱扭復(fù)合超聲振動會使得刀具在空間形成一個三維橢圓振動軌跡。考慮刀具切削參數(shù)(切削深度、瞬時切削速度以及進(jìn)給速度)和振動特征條件,可得刀具運(yùn)動軌跡方程為:

        式中:f為超聲振動頻率;xA、Ay、zA為超聲振幅;xφ、yφ、zφ為相位差;pα為切削深度;vf為進(jìn)給速度;v為瞬時切削速度。

        對方程式(4)進(jìn)行求解計算,可以獲得刀具刀尖的運(yùn)動軌跡(假設(shè)相位差為90°),如圖4 所示。

        圖4 刀尖運(yùn)動軌跡特征Fig.4 The characteristics of tool tip motion trajectory

        基于方程式(4),利用數(shù)學(xué)仿真軟件在空間范圍內(nèi)繪制加工工件的表面形貌,如圖5 所示。

        圖5 工件表面織構(gòu)形貌Fig.5 Surface texture morphology of work-piece

        2 試驗研究

        微織構(gòu)縱扭復(fù)合超聲銑削裝置加工現(xiàn)場如圖6所示。在DMU80 加工中心上,通過BT40 刀柄將微織構(gòu)超聲銑削系統(tǒng)與電主軸相連,利用平口虎鉗來固定工件。

        圖6 加工現(xiàn)場Fig.6 The processing site

        本試驗利用前期所研制的超聲電源與無線電能傳輸系統(tǒng)[25],原-副邊氣隙為0.5 mm,電能傳輸效率為65%,超聲換能器頻率為35 kHz,變幅桿為調(diào)質(zhì)45#鋼,銑刀基體為調(diào)質(zhì)40Cr,雙直刃銑刀直徑為12 mm,刀片材料為鎢鈷類硬質(zhì)合金YG6X,硬質(zhì)合金厚度為2 mm。銑刀與縱扭變幅桿通過彈簧夾頭(ER20)相連,再與超聲振動系統(tǒng)相連,利用阻抗分析儀(PV70A)進(jìn)行測試,縱扭復(fù)合超聲頻率為36.5 kHz,并通過LK-G10 激光位移傳感器(KEYENCE)測量,超聲縱振振幅為7.5 μm,扭轉(zhuǎn)振幅為5.2 μm。銑刀表面溝槽微織構(gòu)采用北京中航北工研制的金屬光纖M20 打標(biāo)機(jī)制作,激光功率6 W,頻率20 kHz,速度70 μm/s。所制備的溝槽寬度為51 μm,跨距為100 μm,深度為12.57 μm。

        試驗材料為供應(yīng)態(tài)7075-T6 鋁合金,加工工件的厚度為50 mm,寬度為40 mm,顯微硬度HV=1370 MPa,抗拉強(qiáng)度為524 MPa,密度為2850 kg/m3。

        在相同加工參數(shù)下,分別進(jìn)行無超聲振動的微織構(gòu)刀具銑削和有超聲振動的微織構(gòu)刀具銑削。開啟超聲電源按鈕為微織構(gòu)超聲銑削(Micro-texture ultrasonic milling, MTUM),關(guān)閉超聲電源按鈕為微織構(gòu)刀具銑削(Micro-texture tool milling, MTTM)。采用單因素試驗法,分析加工參數(shù)對工件表面粗糙度、顯微硬度和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

        采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司研制的JB-IC 表面粗糙度測試儀對加工工件表面粗糙度Ra進(jìn)行3 次測量,并取平均值;使用MH-5 顯微維氏硬度計測量試件的顯微硬度;采用加拿大PROTO-LXRD X 射線衍射儀測量工件表面殘余應(yīng)力;采用基恩士VHX-5000 超景深儀測量工件三維形貌特征。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 切削試驗

        根據(jù)表1 的試驗參數(shù)進(jìn)行切削試驗,整個切削過程中,在主軸轉(zhuǎn)速N=1400 r/min,每齒進(jìn)給量fz=0.03 mm,銑削深度ap=0.1 mm 時,微織構(gòu)刀具超聲加工工件表面的粗糙度數(shù)值最小,為Ra=0.588 μm,較相同切削參數(shù)下微織構(gòu)刀具銑削工件表面粗糙度(Ra=0.65 μm)降低約9.5%。

        設(shè)置表1 所示的切削試驗參數(shù)。分別改變主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、銑削深度得到其與粗糙度的關(guān)系,見圖7—9。在相同切削參數(shù)條件下,與微織構(gòu)刀具加工相比較,微織構(gòu)刀具超聲銑削加工的工件表面粗糙度比較小,粗糙度的降幅在4.7%~13.2%。隨主軸轉(zhuǎn)速增大,工件表面粗糙度呈逐漸下降的趨勢,而銑削深度、每齒進(jìn)給量與工件表面粗糙度成正比關(guān)系。

        這主要是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速增大和施加超聲振動,較好地抑制了刀具表面積屑瘤的形成。微織構(gòu)縱扭復(fù)合銑削的變切削角特性[26],能夠有效降低每齒進(jìn)給量和銑削深度在工件表面殘留面積的高度,從而降低工件表面的粗糙度。

        表1 試驗參數(shù)Tab.1 Test Parameter

        圖7 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of rotary speed on the surface roughness

        圖8 每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of feed per tooth on the surface roughness

        在相同切削參數(shù)條件下,與微織構(gòu)刀具銑削相比較,微織構(gòu)刀具超聲加工的工件表面顯微硬度比較大,增加了1.13%~2.35%(圖10—12)。這主要是由于與微織構(gòu)刀具銑削相比,微織構(gòu)縱扭復(fù)合銑削的變速切削特性使加工材料應(yīng)變硬化率得到提高,流變抗力增加,加工工件表面的強(qiáng)化效應(yīng)也得到了一定的增強(qiáng),最終形成了較高的表面顯微硬度[26]。在兩種銑削條件下,加工工件表面的顯微硬度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大,呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢,隨每齒進(jìn)給量的增大而增大,而銑削深度對工件顯微硬度的影響不顯著。

        圖9 銑削深度對表面粗糙度的影響Fig.9 Effect of milling depth on the surface roughness

        圖10 主軸轉(zhuǎn)速對顯微硬度的影響Fig.10 Effect of rotary speed on the micro-hardness

        圖11 每齒進(jìn)給量對顯微硬度的影響Fig.11 Effect of feed per tooth on the micro-hardness

        圖12 銑削深度對顯微硬度的影響Fig.12 Effect of milling depth on the micro-hardness

        在相同切削參數(shù)條件下,微織構(gòu)刀具超聲加工的工件表面深度方向的殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主,而微織構(gòu)刀具銑削加工的工件表面深度方向的殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力為主(圖13—15)。在兩種銑削條件下,加工工件表面的殘余應(yīng)力隨主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量增大而增大,增勢顯著。銑削深度對工件表面殘余應(yīng)力的影響不顯著。

        圖13 主軸轉(zhuǎn)速對殘余應(yīng)力的影響Fig.13 Effect of rotary speed on the residual stress

        這主要是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量的增大,切削溫度會急劇上升,在熱應(yīng)力作用下,工件表層形成殘余拉應(yīng)力,其中,每齒進(jìn)給量對殘余拉應(yīng)力的影響最為顯著。相比微織構(gòu)刀具銑削,微織構(gòu)刀具在超聲加工過程中會對工件表面反復(fù)沖擊和擠壓,這會使表層材料產(chǎn)生塑性變形,增大位錯密度,形成殘余壓應(yīng)力層和加工硬化。

        3.2 表面微觀形貌特征

        在主軸轉(zhuǎn)速N=1400 r/min,每齒進(jìn)給量fz=0.03 mm,銑削深度ap=0.1 mm 時,兩種銑削工況下工件表面的微觀形貌如圖16 所示。在微織構(gòu)刀具銑削條件下,加工工件表面有明顯的走刀軌跡和劃痕;在微織構(gòu)超聲銑削條件下,加工工件表面形成較為規(guī)整、統(tǒng)一的“魚鱗網(wǎng)紋”。由此可見,較微織構(gòu)刀具銑削,微織構(gòu)刀具在超聲加工過程中具有改善工件表面質(zhì)量的優(yōu)勢。

        圖14 每齒進(jìn)給量對殘余應(yīng)力的影響Fig.14 Effect of feed per tooth on the residual stress

        圖15 銑削深度對殘余應(yīng)力的影響Fig.15 Effect of milling depth on the residual stress

        圖16 加工工件表面形貌Fig.16 Surface morphology of work-piece; a) micro-texture tool milling; b) micro-texture ultrasonic milling

        4 結(jié)論

        1)基于微織構(gòu)刀具的超聲銑削運(yùn)動軌跡特征,利用MATLAB7.1軟件仿真分析了加工工件的表面微觀形貌特征。

        2)在相同切削參數(shù)下,微織構(gòu)刀具超聲銑削所獲工件表面的粗糙度值均優(yōu)于微織構(gòu)刀具銑削所獲工件表面的粗糙度值,其中,主軸轉(zhuǎn)速與工件表面粗糙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而銑削深度、每齒進(jìn)給量與工件表面粗糙度呈正相關(guān)關(guān)系。微織構(gòu)刀具超聲銑削所獲工件表面的顯微硬度值均高于微織構(gòu)刀具銑削所獲工件表面的顯微硬度值,其中,隨主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量的增大,顯微硬度呈現(xiàn)增大趨勢,而切削深度對顯微硬度的影響不顯著。微織構(gòu)刀具銑削所獲工件表面呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力,而微織構(gòu)刀具超聲銑削所獲工件表面均呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力,其中,隨著主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量的增大,殘余應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,而切削深度對殘余應(yīng)力的影響不顯著。

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