超声椭圆振动铣削钛合金切削力和残余应力分析

引言

为满足制造业对零部件加工品质的更高要求，可以采用超声波振动技术来达到间歇式切割的作用 [1-2] 。椭圆振动切削方式是指通过对刀具或被测零件施加双向振动作用来实现对刀头和被测工件的椭圆切割路径控制效果 [3] 。相对于单向振荡切割方式，采用椭圆振荡切割方式可以获得更明显的“分离”效应，使刀 - 屑在切割阶段产生反向摩擦效应，从而提高切割效率 [4] 。

相关方面的研究吸引了很多了学者，取得了一定的研究成果。申奥等 [5] 研究超声椭圆振动铣削参数对钛合金残余应力的影响，用极差法分析实验数据优化参数组合，对工件残余应力影响因素从小到大依次为：切削速度、幅值、振动频率。刘佳佳等 [6] 将超声椭圆振动引入到高速铣削中，开展钛合金高速铣削试验，合理参数匹配使得超声椭圆振动铣削实现分离型断续切削加工，延长刀具的使用寿命，能够有效地提高生产效率。张明亮等 [7] 分析钛合金超声椭圆振动铣削工艺，实验测试得到切削力降低 20%～30%，表面粗糙度降低。

本研究针对 Ti- 6Al- 4V 合金开展测试，对比了不同振动幅值下对非连续加工效应的影响，再根据以上研究结果进行钛合金的椭圆振动实验而分析，为后续的超声椭圆振动铣削工艺优化奠定一定的理论基础。

1、 超声椭圆振动铣削机理

相对于单向振荡切割方式，施加超声波椭圆振动切割作用后能够获得更理想的切割效果。本研究采用4 套半圆形压电片将两片平行排列的压电片组装成三明治结构压电片，再按照设定顺序施加正弦波，形成双曲型超声波的椭圆形振动。在本实验侧铣期间，相对刀旋转轴成垂直的 xoy 平面上施加了超声波椭圆振动作用。在起始阶段，控制椭圆振动主轴与 Y 轴保持一致，并且短轴与 X 轴也保持一致，以主轴最高位置处作为起始振点，使椭圆轨迹沿顺时针方向振动；与旋转工具方向保持一致，由此获得图 1 的超声椭圆振动铣削原理加工效果。

当刀具进行椭圆振动的时候，可以随刀具发生共同旋转，之后施加超声波椭圆振动便可以形成铣刀中心轨迹及刀尖运动方程。

构建如下的铣刀轨迹算式：

式中：a、b 分别为长轴与短轴振动幅度；f 为振动频率；θ 为刀齿与 X 轴夹角。

2、 试验方案

以 VMC1160 型四轴垂直数控机床进行测试，采用正向铣削工艺。目标声波幅度根据设定电压进行确定。将本实验的控制条件和工艺参数列于表 1 中。试验开始前，首先要对被测物体表明进行打磨，并且避免因工具损耗而导致试验结果形成较大误差。

在试验过程中，采用 LTZ- 50 型测力计进行样本数据测试。采用芬兰 FSM- 6000XTR 型应力仪测定表面残余应力。采用 Prism方法检测切削面下方一定深度处的表面残余应力值。

3、 试验结果与讨论

3.1 切削力

控制固定主轴转动速度的情况下，逐步提供数据采集频率，使其更加趋近于真实值。该仪器采样频率设定在 1 000 Hz。切割开始前，需要先开启超声波电源检测切割力，保证在铣削阶段可以实时采集来自超声波的切削力参数，切割结束后，将超声波电源关闭，从而切断力量计数据收集过程。由于侧铣加工过程中，刀具在加工过程中所受的切削载荷相对于径向作用力很小，所以在本实验中，仅研究由幅值因子导致的径向切削力改变状态。针对目前超声波加工过程，实际取样频率较小，难以准确测量动态切削力。径向切削力随振幅变化结果如图 2 所示。

从图 2 测试结果中可以看出，当增大附加幅值时，平均径向切割力呈不断下降的趋势。当超声波幅值从 1μm增加到 7μm时，平均径向切割力从 32.1N减小为 25.6 N，下降比例约 20%。这是由于在 1 μm变化幅度下，刀具保持持续切割的状态，随着振幅增大到 3 μm以后，可以通过超声波椭球铣削方式来实现非均匀间断切割加工的过程，受到瞬间微小撞击作用时，切削层结构也发生快速形变并从脱离，显著降低了初切力。在超声波加工过程中，当超声波幅值从3 μm 增加到 7 μm 时，会出现平均切削力减小的现象。产生上述现象的原因是随着振幅量的增大，有利于强化超声波椭振铣削作用，使加工周期明显缩短，而平均切削力随之减小。

3.2 表面残余应力

图 3 为超声波椭园铣削过程中各幅值对应的表面残余应力测试数据。从图 3 可以看出，随着振幅的增大，表面残余应力也随之增加。这是由于随着振幅的增加，更容易发生分离现象，且更易在切削过程中形成负后角，使后倾面在切削阶段形成较大残余压应力。超声波椭圆加工表面区域表面残余应力呈勺型分布，表面残余应力由表面最大点随深度增大持续下降，由此获得了稳定表面残余应力。当振动幅值增大时，采用负后角切割工艺得到的轧光效应更显著，并产生较厚形变层。

4 、结论

通过对超声椭圆振动铣削钛合金切削力和残余应力分析，得出以下结论：

1）当增大附加幅值时，平均径向切割力呈不断下降，有利于强化超声波椭振铣削作用，使加工周期明显缩短，而平均切削力也随之减小。

2）随着超声振幅增大，表面残余应力增加，表面残余应力由表面最大点随深度增大持续下降，获得了稳定表面残余应力。

参考文献

[1] 卢明明，马宇航，杜永盛，等.非共振椭圆振动切削 BK7 光学玻璃的亚表面损伤深度预测研究[J].工具技术，2023，57（9）：51- 57.

[2] 李洪强，苏国胜，夏岩，等.减振镗杆抑制振动的研究进展[J].工具技术，2023，57（9）：3- 15.

[3] 徐作栋，董月清，阳小勇. 低温微量润滑和超声椭圆振动下GH4169 合金切削研究[J].组合机床与自动化加工技术，2023（4）：125- 127.

[4] 卢明明，周瑞琦，杜永盛，等.椭圆振动辅助切削振动参数对加工SiCp/Al 切削力的影响研究[J].制造技术与机床，2023（1）：55- 60.

[5] 申奥，牛雪梅，闫献国，等.钛合金超声椭圆振动铣削残余应力有限元仿真[J].组合机床与自动化加工技术，2021（9）：29- 32.

[6] 刘佳佳，姜兴刚，张德远.钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削切屑特征和刀具磨损研究 [J]. 机械工程学报，2019，55（19）：186- 194.

[7] 张明亮，张德远，刘佳佳，等.钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削机理和试验[J].北京航空航天大学学报，2019，45 （8）：1606- 1612.

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