肖 強(qiáng) 馮真鵬 劉鎖強(qiáng)

（①西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；西安創(chuàng)源電力金具有限公司，陜西 西安 710032）

鎳基高溫合金具有良好的熱力學(xué)性能、高強(qiáng)度以及高硬度等優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫環(huán)境下特殊零部件的制造[1-2]，是一種重要的國防工業(yè)原材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器裝備等領(lǐng)域，成為航空引擎葉片、燃?xì)廨啓C(jī)等結(jié)構(gòu)件的重要材料。然而目前對(duì)鎳基高溫合金的加工多采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工，難以實(shí)現(xiàn)鎳合金高質(zhì)高效加工。超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)在普通機(jī)械加工的基礎(chǔ)上，對(duì)刀具或工件施加超聲頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了高頻斷續(xù)切削，具有降低宏觀切削力、改善加工環(huán)境、提高加工表面精度和質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于硬脆材料的加工[3-7]。以往多數(shù)超聲輔助切削技術(shù)是對(duì)工件施加超聲頻單向振動(dòng)，而對(duì)刀具施加軸向超聲頻振動(dòng)的研究較少[8-10]。因此，本文以鎳基高溫合金為研究對(duì)象，結(jié)合仿真模擬超聲振動(dòng)輔助加工過程，開展超聲振動(dòng)輔助銑削實(shí)驗(yàn)，分析超聲振動(dòng)輔助作用對(duì)銑削力以及表面質(zhì)量的影響。

1 超聲振動(dòng)輔助銑削銑削力模型

機(jī)械加工零件時(shí)，材料抵抗變形和作用在前后刀面上的摩擦力是切削力產(chǎn)生的主要來源。切削力的產(chǎn)生示意圖如圖1 所示。

圖1 切削力的產(chǎn)生示意圖

由進(jìn)給速度vx可計(jì)算得出每齒進(jìn)給量為

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速；N為銑刀齒數(shù)。

在沿進(jìn)給方向?yàn)槠胀ㄣ娤骷庸ぃ鐖D2 所示，切削寬度b與銑刀旋轉(zhuǎn)過的角度θ呈函數(shù)關(guān)系，即：

圖2 普通銑削加工示意圖

將式（1）代入式（2）得：

切削深度h的表達(dá)式為

根據(jù)經(jīng)典切削力計(jì)算公式，切向力和徑向力分別為

式中：Ft為切向力；Fr為徑向力；k為切削系數(shù)，k為常數(shù)，通過相關(guān)參數(shù)的聯(lián)立則可得到加工時(shí)的切向力和徑向力。

在銑削加工過程中，超聲振動(dòng)的介入改變了刀具原有的行走路線，切削力的大小和方向也隨之變動(dòng)。刀具在切削的同時(shí)也軸向振動(dòng)，工件材料還受到軸向的沖擊振動(dòng)作用。

銑刀軸向的加速度為

為求系統(tǒng)所受的沖擊作用力Fz，可簡化超聲振動(dòng)裝置的等效質(zhì)量為M，則在Z向的沖擊力Fz為

由公式易得0≤Fz≤4π2Af2M，加工過程中超聲頻振動(dòng)的頻率較大，故產(chǎn)生的沖擊力也較大。

總切削力F為Ft、Fr、Fz的矢量和：

將式（7）、式（8）和式（10）代入式（11），可得到總銑削力的計(jì)算公式。

2 超聲振動(dòng)輔助銑削仿真

2.1 超聲振動(dòng)振幅對(duì)切削力影響仿真

振幅和頻率是影響振動(dòng)切削規(guī)律的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。為進(jìn)一步深入研究超聲波振動(dòng)的振幅與頻率對(duì)切削力的影響，在相同的切削速度、切削深度和寬度的條件下，只改變超聲振動(dòng)的振幅，進(jìn)行仿真研究，仿真參數(shù)見表1。

表1 三維斜角切削仿真參數(shù)設(shè)置

仿真結(jié)果如圖3 所示。振幅為0 時(shí)即普通銑削仿真過程中切削力信號(hào)變化曲線如圖3a 所示，可以看出，隨著切削的進(jìn)行，切削力逐漸增大。這是因?yàn)榈度信c工件逐漸接觸，接觸面積增大，產(chǎn)生的切削力也越大，并在穩(wěn)定切削階段呈現(xiàn)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。切削過程中，切削刃與工件呈45°，切削力大部分被轉(zhuǎn)移至x和z方向，也就克服了主要的阻力，在穩(wěn)定切削階段Fx值在27.5 N 附近波動(dòng)，F(xiàn)z值在19.1 N 附近波動(dòng)，而Fy接近于零。圖3b～圖3f 所示為不同振幅下的切削力信號(hào)圖，可以看出，施加超聲振動(dòng)后，切削力在各方向的分量的最大值基本保持穩(wěn)定，但卻呈現(xiàn)出高頻的振蕩波動(dòng)特性，這與東北大學(xué)倪陳兵等學(xué)者研究的成果相似。這是因?yàn)榈毒叱曊駝?dòng)后，刀具所走的路線不再是直線，而是正弦曲線，工件與刀具呈現(xiàn)高頻次的接觸和分離，接觸切削時(shí)切削力會(huì)迅速增大，分離時(shí)切削力又急劇下降。在振幅較小時(shí)，刀具與工件分離的過程不太明顯，切削力的降幅較小。而隨著振幅的增大，分離現(xiàn)象也越來越明顯，切削力的降幅也越大，在刀具與工件分離階段切削力降低至越接近于0。

圖3 不同振幅作用下的切削力信號(hào)

2.2 超聲振動(dòng)頻率對(duì)切削力影響的仿真

為研究超聲振動(dòng)頻率對(duì)切削力的影響，設(shè)置不同的切削仿真參數(shù)，只改變超聲振動(dòng)的頻率，切削仿真參數(shù)設(shè)置見表2。

圖4 所示為不同振動(dòng)頻率下的切削力信號(hào)圖。施加超聲振動(dòng)后，切削力的最大值幾乎沒有改變，隨著頻率從20 kHz 提高到35 kHz，切削力在單位時(shí)間內(nèi)驟降的次數(shù)增大，主要是因?yàn)樘岣吡说毒吲c工件接觸和分離的頻次。

3 超聲振動(dòng)輔助銑削試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料選用GH4738 型鎳基高溫合金。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)HKUSM35-20、VMC850立式數(shù)控銑床、Kistler9257B 型三向測(cè)力系統(tǒng)、白光干涉儀。刀具采用?8 mm 四刃立銑刀，銑削方式采用順銑，其銑削力實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示。試驗(yàn)時(shí)，將三向測(cè)力儀安裝固定在機(jī)床工作臺(tái)上，銑削過程中通過電荷放大器將銑削力信號(hào)放大并輸送到計(jì)算機(jī)，由專用軟件對(duì)銑削力進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。設(shè)備正常工作時(shí)，振動(dòng)頻率保持恒定，振動(dòng)的振幅與所輸出的電流呈一定的線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)設(shè)備輸出的電流控制超聲振動(dòng)的振幅。

圖5 超聲振動(dòng)輔助銑削力試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將采集到的3 個(gè)方向的銑削力信號(hào)輸出，繪制銑削力隨時(shí)間變化的曲線，如圖6 所示。

圖6 銑削力信號(hào)對(duì)比圖

從圖6 的具體數(shù)據(jù)中，選取銑削力的極大值求平均后可得：普通銑削力的Fx極大值的平均值為9.77 N，超聲振動(dòng)輔助銑削力的Fx極大值的平均值為5.31 N，相對(duì)于普通銑削降低了45.6%；普通銑削力的Fy極大值的平均值為16.25 N，超聲振動(dòng)輔助銑削力的Fy極大值的平均值為13.38 N，相對(duì)于普通銑削降低了17.7%；普通銑削力的Fz極大值的平均值為6.45 N，超聲振動(dòng)輔助銑削力的Fz極大值的平均值為8.63 N，相對(duì)于普通銑削增加了25.3%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果相似，誤差在1%以內(nèi)，這是試驗(yàn)環(huán)境及加工誤差引起的。由以上分析可知，對(duì)銑刀施加超聲振動(dòng)后，銑削力x和y方向上無論是極大值的平均值還是波動(dòng)范圍都有一定的減小，z方向的銑削力的波動(dòng)范圍較小，但總銑削力還是明顯地降低。

綜上所述，超聲振動(dòng)的輔助作用可降低銑削加工過程中的最大銑削力和銑削力的波動(dòng)范圍，改善銑削環(huán)境，降低加工誤差，使得切削更為穩(wěn)定，提高銑削加工的穩(wěn)定性。

4 超聲振動(dòng)輔助表面粗糙度試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用TaylorSurfCCI2000 白光干涉儀來檢測(cè)銑削后的表面形貌，在加工區(qū)域選擇5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量區(qū)域?yàn)?00 μm×800 μm，取5 個(gè)測(cè)點(diǎn)值的算術(shù)平均值得到每個(gè)加工表面的粗糙度值。分別采用線粗糙度評(píng)定法和面粗糙度評(píng)定法對(duì)加工工件表面的粗糙度進(jìn)行綜合評(píng)判，選取的評(píng)判參數(shù)分別為線粗糙度表征參數(shù)Ra、Rz。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7 所示為其他加工參數(shù)不變的條件下，不同超聲電流情況下的銑削三維表面形貌。由圖7a 可知，在普通銑削時(shí)，表面形貌的銑削耕犁劃痕邊界清晰，表面凸起尖銳，產(chǎn)生較深的溝槽痕跡，相鄰切削痕跡互不干涉。而施加超聲振動(dòng)輔助后，表面形貌較為圓潤，相鄰切削痕跡過渡平滑，這是由于施加軸向超聲振動(dòng)后，刀具的切削軌跡干涉作用去除了一部分普通銑削無法去除的工件材料，將普通銑削表面連續(xù)的耕犁隆起切割為斷續(xù)隆起，降低了軸向的殘留高度，進(jìn)而有助于改善表面質(zhì)量。

圖7 不同的超聲電流下的銑削三維表面形貌

圖8 所示為超聲電流對(duì)Ra、Rz 的影響規(guī)律，可以看出電流為0 即普通銑削時(shí)，Ra、Rz 均比超聲輔助銑削的大，隨著超聲電流的增大，Ra、Rz表面質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)均有降低的趨勢(shì)。Ra 由1.064 μm降低到0.640 4 μm，降低幅度最大達(dá)39.9%；Rz 由0.211 μm 降低到0.138 μm，降低幅度最大達(dá)34.6%；表面質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)的變化說明超聲振動(dòng)輔助能夠提高加工表面質(zhì)量。

圖8 超聲電流對(duì)Ra、Rz 的影響規(guī)律

5 結(jié)語

（1）超聲振動(dòng)輔助銑削技術(shù)能夠降低加工鎳基高溫合金過程中的銑削力，F(xiàn)x、Fy方向分別降低45.6%和17.7%，是因?yàn)樵谇邢魉俣葀c<2πAf時(shí)，切削速度小于最大振動(dòng)速度，切削刃與工件之間存在速度差，刀具與工件瞬時(shí)分離過程，工件應(yīng)力場也瞬間減小，將持續(xù)的擠壓變形切削轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇高頻的擠壓變形切削。振動(dòng)的振幅越大，頻率越高，分離的頻次也越快，分離特性就越明顯，從而達(dá)到降低切削力的效果。

（2）超聲振動(dòng)輔助銑削技術(shù)能夠降低加工鎳基高溫合金過程中的表面粗糙度，Ra 降低幅度達(dá)39.9%；Rz 降低幅度達(dá)34.6%，是因?yàn)槭┘虞S向超聲振動(dòng)后，刀具的切削軌跡干涉作用去除了一部分普通銑削無法去除的工件材料，將普通銑削表面連續(xù)的耕犁隆起切割為斷續(xù)隆起，降低了軸向的殘留高度，進(jìn)而有助于改善表面質(zhì)量。