張 碩 鄒 平 方 銳 周 亮

東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng)，110819

0 引言

隨著制造行業(yè)的發(fā)展，各種難切削材料相繼出現(xiàn)，克服較差的切削環(huán)境，提高工件表面質(zhì)量、加工效率及刀具耐磨性一直是制造加工領(lǐng)域的重要目標(biāo)。傳統(tǒng)的金屬加工方法使刀具與工件密切接觸，長(zhǎng)時(shí)間的切削過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較高溫度，嚴(yán)重影響刀具壽命與表面質(zhì)量[1]。為了提高切削性能，延長(zhǎng)刀具壽命，MORIWAKI等[2]提出了超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)；SHAMOTO等[3]對(duì)橢圓超聲振動(dòng)切削過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該方法除了斷續(xù)切削的特性外，還具有刀-屑瞬時(shí)摩擦力反轉(zhuǎn)特性，可以大幅減小切削力、改善加工工件表面質(zhì)量，同時(shí)還可以抑制加工顫振，進(jìn)一步提高切削加工性能[4-5]。除此之外，微織構(gòu)刀具也被證明可以有效降低切削溫度并提高刀具壽命[6]。OBIKAWA等[7]改變刀具表面織構(gòu)類(lèi)型，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明平行型和方點(diǎn)型的微織構(gòu)可以有效提高刀具表面潤(rùn)滑效果，減少刀具磨損。潘晨等[8]發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)刀具會(huì)改善工件的表面殘余應(yīng)力，提高工件耐磨損與耐疲勞特性。蘇永生等[9]研究了織構(gòu)化表面對(duì)金剛石高速切削鈦合金過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)在干切削條件下減磨效果明顯，并且可以減小切削力。LIU等[10]利用硬質(zhì)合金刀具加工陶瓷，并研究了微織構(gòu)尺寸對(duì)切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)微織構(gòu)寬度為75 μm、間距為100μm時(shí)可以獲得最佳刀具耐磨性以及工件表面質(zhì)量。

無(wú)論是微織構(gòu)刀具還是超聲切削技術(shù)均已被證明可以有效提高刀具切削性能，已有少部分學(xué)者將這兩種技術(shù)結(jié)合研究其可靠性[10]。何宇等[11]在橢圓超聲輔助車(chē)削過(guò)程中應(yīng)用了微織構(gòu)刀具，分析了織構(gòu)形狀對(duì)切削性能的影響，證明了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。唐軍等[12]將微織構(gòu)刀具應(yīng)用于縱扭復(fù)合超聲銑削過(guò)程，分析了切削參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度、殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)果表明微織構(gòu)超聲銑削可以改善工件表面完整性。

目前對(duì)橢圓超聲輔助車(chē)削與微織構(gòu)刀具結(jié)合的技術(shù)研究仍然較少，而且僅限于證明該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并沒(méi)有進(jìn)一步研究織構(gòu)參數(shù)與超聲切削之間的關(guān)聯(lián)性，因此研究織構(gòu)參數(shù)對(duì)橢圓超聲輔助切削性能的影響仍然具有重要意義。本文利用光纖激光在車(chē)刀前刀面靠近主切削刃位置加工微織構(gòu)，將微織構(gòu)應(yīng)用于超聲切削過(guò)程中，首先分析其相對(duì)于其他切削方式的優(yōu)勢(shì)，然后研究織構(gòu)角度與參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響。

1 橢圓超聲輔助切削運(yùn)動(dòng)機(jī)理

橢圓超聲輔助切削又稱(chēng)超聲橢圓振動(dòng)切削(ultrasonic elliptical vibration cutting，UEVC)，是一種精密加工方式，利用超聲產(chǎn)生高頻振動(dòng)，將該振動(dòng)作用于刀尖運(yùn)動(dòng)方向上，在刀尖處產(chǎn)生類(lèi)似于橢圓形狀的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)刀具在振動(dòng)過(guò)程中前刀面與工件是否產(chǎn)生分離現(xiàn)象，將加工方式分為分離型和不分離型切削[13]。根據(jù)之前研究發(fā)現(xiàn)，不分離型振動(dòng)切削可以在提高切削效率的同時(shí)一定程度上保留超聲振動(dòng)切削的優(yōu)勢(shì)，因此以不分離型橢圓超聲輔助切削為基礎(chǔ)，在進(jìn)給方向與切深方向施加超聲振動(dòng)，刀尖運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

其中，x、y、z分別為切深方向、進(jìn)給方向與主運(yùn)動(dòng)方向，f為超聲振動(dòng)頻率，fr為進(jìn)給量，B1、B2為刀尖振幅，φ為兩個(gè)振動(dòng)方向的相位差，v為主運(yùn)動(dòng)速度。刀具切削原理與刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1、圖2所示。

圖1 超聲橢圓切削原理

圖2 刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡

2 微織構(gòu)刀具的制備

基于光纖激光設(shè)備在刀具表面加工微織構(gòu)，加工裝置如圖3所示，光纖激光器性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 激光加工實(shí)驗(yàn)裝置

表1 激光加工參數(shù)

刀具材料選擇YG6無(wú)涂層硬質(zhì)合金車(chē)刀，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制織構(gòu)形狀與尺寸，調(diào)整車(chē)刀與聚焦透鏡位置，將微織構(gòu)加工在車(chē)刀主切削刃附近。利用超景深顯微鏡觀察加工后的刀具表面形貌，如圖4所示。

圖4 激光加工刀具表面織構(gòu)的形貌

3 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

橢圓超聲輔助微織構(gòu)車(chē)削304不銹鋼的實(shí)驗(yàn)在CA6140車(chē)床上進(jìn)行，選擇YG6無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具，采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有超聲電源對(duì)超聲振動(dòng)輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)不分離型橢圓超聲輔助切削。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所選擇的切削參數(shù)與超聲參數(shù)均固定，其中切削速度為1 m/s、切削深度為0.2 mm、進(jìn)給量為0.12 mm/r、超聲頻率為20 kHz、超聲振幅為8 μm、相位差為90°，實(shí)驗(yàn)在干切削條件下進(jìn)行。為了便于表述，定義無(wú)織構(gòu)刀具條件下的傳統(tǒng)切削為CC、微織構(gòu)刀具條件下的傳統(tǒng)切削為CC-T、無(wú)織構(gòu)刀具條件下的超聲切削為UEVC、微織構(gòu)刀具條件下的超聲切削(微織構(gòu)車(chē)刀橢圓超聲輔助切削)為UEVC-T，不同切削方式下的微織構(gòu)與主切削刃夾角為0°、寬度為70 μm、間距為90 μm，由于刀具表面微織構(gòu)對(duì)切削性能產(chǎn)生影響主要是通過(guò)減小刀屑接觸面積，故織構(gòu)深度的改變不會(huì)影響刀屑接觸面積，所以固定織構(gòu)深度為50 μm，超聲車(chē)削實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 超聲車(chē)削實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

切削過(guò)程中首先分析切削方式(CC、CC-T、UEVC、UEVC-T)對(duì)切削力、表面質(zhì)量及刀具磨損的影響，證明超聲切削與微織構(gòu)刀具技術(shù)相結(jié)合的合理性，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)表2所示的單因素實(shí)驗(yàn)方案研究刀具表面織構(gòu)與主切削刃角度、織構(gòu)寬度與間距對(duì)刀具磨損的影響，由于本文應(yīng)用的橢圓超聲輔助切削為進(jìn)給方向與切深方向振動(dòng)，后刀面與待加工表面周期分離，前刀面與工件持續(xù)接觸，故將微織構(gòu)添加在刀具前刀面，考慮刀具磨損時(shí)主要以前刀面磨損面積為標(biāo)準(zhǔn)。

表2 微織構(gòu)刀具參數(shù)

3.2 切削方式對(duì)刀具切削性能的影響

圖6所示為不同切削方式在車(chē)削平穩(wěn)階段對(duì)應(yīng)的切削力曲線，對(duì)四種不同切削方式的切削力分別求取平均值，圖6a～圖6d的主切削力分別為48.68 N、41.37 N、24.44 N和20.29 N，進(jìn)給力分別為25.99 N、24.33 N、9.53 N與8.70 N，相比CC，CC-T、UEVC和UEVC-T主切削力分別減小17.66%、49.79%和58.32%，進(jìn)給力分別減小6.39%、63.33%和66.53%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)的置入可以改變刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，改變切削厚度和瞬時(shí)摩擦力方向，進(jìn)而大幅減小切削力，而微織構(gòu)刀具同樣也可以通過(guò)減小刀-屑接觸面積來(lái)減小切削力，盡管與超聲振動(dòng)條件下相比減幅并不大，但仍有一定效果。

(a)CC

結(jié)合圖7、圖8分析不同切削方式下的刀具磨損，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)四種刀具的刀尖附近均出現(xiàn)了不同程度的磨損，UEVC條件下的刀具磨損最嚴(yán)重，而且出現(xiàn)了較大面積的崩刃現(xiàn)象，主要是由于不分離型橢圓振動(dòng)輔助切削不利于散熱，并且進(jìn)給與切深方向的振動(dòng)使前刀面容易產(chǎn)生疲勞從而加劇磨損，而在應(yīng)用微織構(gòu)刀具的條件下，刀具表面的磨損面積明顯減小，這是由于微織構(gòu)的置入可以改變刀具與切屑之間的直接接觸面積，并且具有一定深度的凹槽可以增大散熱面積，同時(shí)起到收集碎屑的作用，降低碎屑在刀屑接觸區(qū)進(jìn)一步作用產(chǎn)生的磨粒磨損而劃傷刀具與工件。

(a)CC (b)CC-T

圖8 不同切削方式下的刀具磨損面積

圖9所示為四種切削方式下的表面形貌，左側(cè)為二維形貌，右側(cè)為三維表面形貌。圖9a～圖9d的粗糙度Sa分別為3.664 μm、2.491 μm、2.290 μm和2.248 μm。相比傳統(tǒng)切削，其他三種切削方式表面粗糙度分別降低32.01%、37.5%和38.65%，而且觀察可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)切削條件下會(huì)出現(xiàn)明顯的走刀痕跡，無(wú)織構(gòu)刀具切削條件下會(huì)出現(xiàn)劃痕與凹坑，這是由于刀具磨損導(dǎo)致，而橢圓超聲輔助加工后的表面較為規(guī)整，呈現(xiàn)“魚(yú)鱗紋”形狀的表面，這是由刀具軌跡交叉導(dǎo)致的，由此可見(jiàn)相比其他三種切削方式，微織構(gòu)車(chē)刀橢圓振動(dòng)輔助切削可以進(jìn)一步改善工件表面質(zhì)量。

(a)CC

3.3 微織構(gòu)參數(shù)對(duì)前刀面磨損的影響

根據(jù)上一節(jié)分析，微織構(gòu)刀具可以在保留UEVC切削性能的同時(shí)減少刀具磨損，而且抗磨損效果較好，因此在UEVC條件下進(jìn)一步研究織構(gòu)參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響，優(yōu)化微織構(gòu)尺寸參數(shù)。圖7d中刀具的織構(gòu)寬度、間距分別為70 μm和90 μm，且該刀具是在UEVC條件下完成切削，所以圖10中不再贅述。

圖10a～圖10c與圖7d所示為四種角度織構(gòu)刀具的表面磨損形貌，圖11所示為磨損面積，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)織構(gòu)與主切削刃夾角為0°和90°時(shí)刀尖磨損較小，而與主切削刃成45°與135°角的織構(gòu)刀具磨損較為嚴(yán)重，觀察黏結(jié)趨勢(shì)，其中45°微織構(gòu)與流屑方向幾乎平行，變相增大了刀屑接觸面積，而135°微織構(gòu)與流屑方向近似垂直，使織構(gòu)邊緣對(duì)切屑產(chǎn)生二次切削，容易破壞微織構(gòu)的完整性，導(dǎo)致磨損加劇。0°與90°織構(gòu)刀具與切屑流動(dòng)方向存在一定角度，削弱織構(gòu)二次切削現(xiàn)象的同時(shí)可以發(fā)揮織構(gòu)優(yōu)勢(shì)，所以磨損較小，0°織構(gòu)磨損最小，在此基礎(chǔ)上研究織構(gòu)參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響。

(a)45° (b)90° (c)135°

圖11 不同織構(gòu)參數(shù)下的刀具磨損面積

結(jié)合圖10d～圖10f與圖7d發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)寬度與間距對(duì)刀具磨損存在一定影響，其中寬度為70 μm時(shí)刀具磨損較小，這是由于寬度過(guò)小，織構(gòu)優(yōu)勢(shì)無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)，甚至出現(xiàn)刀具強(qiáng)度降低，前刀面刀尖處甚至出現(xiàn)基體材料脫落現(xiàn)象，而過(guò)大的寬度會(huì)降低刀尖強(qiáng)度，并產(chǎn)生織構(gòu)二次切削現(xiàn)象，加劇刀具的磨損。同理，觀察圖10g～圖10i發(fā)現(xiàn)，間距對(duì)刀具磨損也存在一定的影響，間距過(guò)小會(huì)降低刀尖強(qiáng)度，間距過(guò)大織構(gòu)減磨效果不明顯。綜合分析當(dāng)織構(gòu)平行于主切削刃、寬度為70 μm、間距為70 μm時(shí)，刀具切削性能最好。

4 結(jié)論

(1)不分離型UEVC可以大幅減小切削力，并提高被加工工件的表面質(zhì)量，但由于振動(dòng)原因前刀面與工件反復(fù)摩擦并連續(xù)接觸，導(dǎo)致刀具前刀面產(chǎn)生疲勞磨損，縮短刀具壽命。

(2)UEVC-T可以在保留超聲切削性能的同時(shí)減小刀具磨損，提高刀具耐用度，而且微織構(gòu)可以收集碎屑，防止碎屑對(duì)刀具與工件表面產(chǎn)生二次劃傷。

(3)合適的微織構(gòu)角度與尺寸可以改善UEVC-T條件下的前刀面磨損情況，但過(guò)大或過(guò)小的織構(gòu)尺寸會(huì)減弱微織構(gòu)刀具的優(yōu)勢(shì)，降低刀具強(qiáng)度，造成織構(gòu)邊緣與切屑產(chǎn)生二次切削現(xiàn)象，當(dāng)織構(gòu)與主切削刃夾角為0°，且織構(gòu)寬度為70 μm、間距為70 μm時(shí)，刀具抗磨損效果最好。