基于二维超声振动辅助的钛合金切削加工分析与试验研究*

代 兵

(长春职业技术学院, 长春 130000)

钛合金材料具有强度高、耐热耐腐蚀以及抗氧化性能好等特点，受到医疗器械、航空航天、化工冶金等行业的广泛关注[1]。与此同时，钛合金材料由于具有较低的弹性模量、较差的导热能力和易于黏结的特性而成为一种难加工材料。在加工过程中会造成其切削区域温度升高，严重影响刀具切削刃的切削性能，极大地降低工件加工后的表面质量，因此制约了钛合金材料在精密产品上的推广和应用[2-3]。

近些年，国内外专家学者对钛合金的精密加工进行了大量的研究。ZHOU等[4]运用超声振动辅助加工技术进行切削加工，研究了超声振动对刀具的切削性能、切削力、使用寿命以及工件表面粗糙度的影响；喻栋[5]基于钛合金材料的加工特性，设计了单激励条件下的椭圆超声振动系统，并对钛合金材料进行了精密切削加工；廖鹏飞等[6]进行了电塑性-超声振动耦合切削钛合金试验，相比普通切削时的加工表面质量有明显改善；路冬等[7]通过有限元软件建立钛合金一维超声振动切削仿真模型，分析了切削速度方向施加的超声振动的切削效果。

上述这些研究，主要都集中在一维超声振动加工及利用有限元软件进行仿真研究等方面，而对二维超声振动加工的研究较少，且对切削力的理论分析也不够完善。为进一步降低钛合金切削加工中的切削力，提高工件加工后的表面质量，将二维超声振动辅助加工工艺应用于钛合金的切削加工过程，通过分析刀具的椭圆切削轨迹，构建切削力数学模型，找出影响切削力的指标因素；同时设计钛合金二维超声振动切削试验，研究其切削加工效果，并与普通切削时的效果进行对比。

1 二维超声振动加工理论分析

1.1 刀具轨迹分析

普通切削时，刀尖的运动轨迹在XOY平面内是一条直线；一维超声振动切削是在刀具轴向或径向1个方向上施加一定频率和振幅的振动，此时刀尖的运动轨迹呈现螺旋状曲线；而二维超声振动切削则是在2个方向上同时施加振动，此时刀尖相对于工件的运动轨迹为椭圆形曲线，通过控制超声振动的相位差等，改变材料的切削机理，以提高其切削效率和加工质量。二维超声振动切削原理如图1所示，刀尖运动轨迹如图2所示。

二维超声振动切削加工中，刀具和工件之间会产生周期性的接触和分离，此时刀具的轨迹方程为[8-9]：

(1)

式中：A为x方向的超声振幅，B为z方向的超声振幅，ap为理论切削深度，v为进给速度，n为主轴转速，r为工件直径，f为超声振动频率，φ为x和z方向振动的相位差。

1.2 瞬时切削力模型

在二维超声振动切削加工中，由于刀具在超声振幅的作用下的运动轨迹是椭圆形的，并以此方式对工件进行断续加工，刀具的振动使刀具的剪切角变大，使得加工中产生的切屑厚度明显低于普通切削加工时的[10]。因此，基于切屑厚度对切削力进行理论建模，分析超声振动条件下的切削力变化情况。普通切削和超声切削进给方向的切削力为[11]：

(2)

(3)

式中：Fcm、Fum分别为普通切削和超声辅助切削时进给方向的切削力；Sx-y为XY平面内的切削面积；τs为与剪应力角相关的剪应力流，可根据J-C本构模型进行计算；α为刀具前角；β为切屑在前刀面的摩擦角；φtra和φult分别是普通切削和超声切削加工中的剪切角；∓则分别对应超声切削加工中刀具的切入和切出部分。

从式(2)、式(3)中可知：切削力主要由切削面积、剪应力流和剪切角决定，而当加工参数确定后，则只有切削面积属于变量。

加工中的切削力根据麦钱特最小切削原则，通过微分可知其剪切角为[12]：

(4)

将式(4)代入到式(2)和(3)中，就可得普通切削和超声切削加工中的切削力。

2 试验设计

2.1 设备与材料

试验设备主要包括车床、刀具系统、超声振动装置，如图3所示。其中车床为沈阳机床厂的CAK4085数控车床，主电机功率为5.5 kW，主轴最高转速为2 000 r/min；所用的切削工具为PCD车刀，刀尖圆弧半径为200 μm；超声发生器功率为50～250 W，频率为0～35 kHz。加工材料尺寸为φ100 mm×300 mm的TC4钛合金棒料，其元素质量分数如表1所示。

图3 超声振动切削试验设备

表1 TC4钛合金质量分数 Tab. 1 Mass fractions of TC4 titanium alloy

2.2试验参数

试验前先精车钛合金棒料，使其表面状态一致，然后对其表面进行切削试验，试验中为防止测力误差不使用切削液。加工中通过超声波发生器为刀具系统提供超声信号，获得的切削力等信号由数据采集卡、电荷放大器和测力仪等采集、放大、处理并测量。主要切削试验参数如表2所示，其中振动频率为0时代表普通切削，振动频率为30 kHz时代表超声振动切削。

表2 试验参数

3 结果与分析

3.1 切削力测试

选取表2中的切削速度为60 m/min时进行切削试验，用Kistle测力仪测量切削时的切削力，则不同切削方式下进给方向上的切削力大小如图4所示。

从图4可以看出：普通切削中的切削力剧烈变化，说明其冲击力较大，进而使切削力出现较大幅度的抖动情况；而在超声切削加工中，切削力的变化基本保持在较窄幅度内，不会出现切削力大幅震荡的现象，说明超声切削加工更平稳。

为进一步研究超声振动辅助条件下切削力的变化情况，分别采用表2中的不同切削速度进行切削试验，分析进给方向的平均切削力大小，并与普通切削进行对比，试验结果如图5所示。

图5 不同切削速度条件下切削力对比曲线

由图5可知：2种切削方式下的平均切削力随切削速度的增加都呈现出逐渐降低的趋势，但超声切削的平均切削力小于普通切削的。这是由于随着切削速度的增加，切削温度逐渐升高，摩擦系数减小，从而使切削力变小。同时，由于超声振动的断续切削作用加快，使刀具和工件之间的分离时间缩短，从而使超声切削中的平均切削力低于普通切削时的。在切削速度为90 m/min时，普通切削条件下的平均切削力为76.6 N，而在超声切削加工条件下的切削力为40.1 N，下降了47.7%。

3.2 工件表面微观形貌分析

采用表2中的试验参数对钛合金工件材料进行加工，此时的切削速度为90 m/min，加工区域表面切削三遍后使用原子力显微镜测量已加工工件的表面形貌，测量区域是1 000 μm×1 000 μm的矩形，测量结果如图6所示。

由图6可以看出：普通切削加工后的表面具有较深的划痕，且划痕之间分布不均匀，由于划痕深浅不一导致工件加工质量较差。在试验中对普通切削后刀具的切削刃前端进行观察，发现刀具前端出现了明显的积屑瘤，且在刀具后刀面位置还可以观察到轻微的黏结磨损；而超声切削加工后的工件表面划痕及沟槽明显变浅，且相邻划痕之间的间距也基本统一，形成的表面质量较好。试验中可以观察到刀具的切削过程十分平稳，加工后的刀具切削刃前端并没有积屑瘤以及后刀面几乎没有黏结磨损产生。这是由于超声切削中的刀具轨迹为椭圆曲线，改变了材料的切削机理，并对加工表面的划痕和沟槽起到了平整作用。此时超声切削时的切削力相对较小，切削过程也不会产生较大的振动。

为深入分析超声加工的效果，对上述测量区域中的图像明暗、纹理等三维信息，采用光学非接触三维形貌测量系统对工件表面轮廓进行测量，结果如图7所示。结果显示：超声辅助切削后的工件表面轮廓范围明显低于普通切削时的。普通切削的表面轮廓高度范围为0～3.0 μm，平均高度为2.2 μm，超声切削表面轮廓高度范围为0～1.9 μm，平均高度为1.3 μm，轮廓平均高度减小了40.9%。可见，采用超声加工的表面更光滑，质量大幅提升。

(a)普通切削 Ordinary cutting

3.3 刀具磨损情况分析

为进一步分析二维超声切削时的刀具磨损情况，采用普通切削和二维超声振动切削2种不同切削方式加工前述TC4钛合金棒料的表面，参数如表2所示，此时的切削速度取值为60 m/min。试验过程中，根据国标中规定的刀具后刀面最大磨损带宽度VB= 300 μm作为刀具磨钝标准[13]，每间隔10 min用激光共聚焦显微镜对刀具的后刀面磨损带宽度进行拍摄与测量，当刀具达到磨钝标准后, 更换新的同样刀具进行另外一组试验，其结果如图8所示。

图8 不同切削方式下刀具寿命对比

由图8结果可知：在相同切削参数条件下，普通切削时刀具的磨钝时间约为90 min，二维超声振动切削时刀具的磨钝时间约为170 min。因此，采用二维超声振动切削时的刀具寿命明显提高，比普通切削时的刀具寿命提高了近一倍。这是由于二维超声振动切削将连续加工变为断续加工，增大了切屑和刀具的散热面积，降低了刀具切削刃处的温度，并在断续加工中降低了切屑对刀具的划擦作用，因而增加了刀具的磨钝时间。

为直观对比刀具的磨损情况，在上述条件下以2种切削方式各切削120 min，然后采用扫描电镜(SEM)对刀具后刀面磨损形态进行观察，结果如图9所示。

由图9可以看出：切削工件120 min后，普通切削后的刀具后刀面磨损较严重, 其磨损形态主要是刀面剥落、崩刃和刀尖破损，已达到磨钝标准；而超声切削后的刀具后刀面磨损相对较轻，其磨损形态主要是微崩刃和沟槽磨损，并且还能继续使用，说明超声切削可有效减小切削力对刀具的冲击，大大提高了刀具的耐用度。

4 结论

基于二维超声振动切削工艺对钛合金加工过程进行分析，建立了刀具运动轨迹和切削力模型，找出影响刀具切削力的指标因素，然后设计二维超声振动切削试验，研究二维超声振动加工对切削力、工件表面质量以及刀具寿命的影响。得出如下结论：

(1)普通切削时的切削力存在较大幅度的抖动，而超声切削加工中的切削力变化幅度较窄、更平稳。在切削速度为90 m/min时，普通切削时的平均切削力为76.6 N，而超声切削加工时的平均切削力则为40.1 N，下降了47.7%。

(2)普通切削加工后的工件表面具有较深的划痕，且划痕之间分布不均匀；而超声切削加工后的表面划痕及沟槽明显变浅，相邻划痕之间的间距也基本统一。对2种切削方式下的表面轮廓进行测量，普通切削和超声切削时的表面轮廓高度范围分别为0～3.3 μm和0～1.9 μm，平均高度分别为2.2 μm和1.3 μm，后者的轮廓平均高度减小了40.9%。因而采用超声加工的工件表面更光滑，其质量大幅提升。

(3)在相同切削参数条件下，普通切削和二维超声振动切削时的刀具磨钝时间分别为90 min和170 min，后者的刀具寿命比前者的提高了近1倍。且切削工件120 min后，普通切削后的刀具后刀面磨损较严重, 磨损形态主要是刀面剥落、崩刃和刀尖破损，已达到磨钝标准；而超声切削时的刀具后刀面磨损相对较轻，磨损形态主要是微崩刃和沟槽磨损，并且还能继续使用，说明超声振动切削可有效提高刀具使用寿命。