鈦合金超聲橢圓振動輔助車削實驗研究

第一作者路冬女，博士，副教授，1980年1月生

鈦合金超聲橢圓振動輔助車削實驗研究

路冬1,2，蔡力鋼1，程強1，吳勇波3

(1. 北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124； 2. 南昌航空大學航空制造工程學院，南昌330063；3.秋田縣立大學機械智能系統(tǒng)工程系，日本秋田015-0055)

摘要：設計鈦合金超聲橢圓振動輔助車削實驗，獲得不同超聲波電源電壓下刀具近似橢圓運動軌跡。分析超聲橢圓振動輔助車削切削力變化規(guī)律，與普通車削相比超聲橢圓振動輔助車削能在較大程度上降低切削力。研究超聲橢圓振動輔助車削工件表面粗糙度變化規(guī)律，與普通車削相比超聲橢圓振動輔助車削工件表面粗度Ra值略增大，Rz值明顯降低。分析進給速度對切削力的影響規(guī)律，隨進給速度增大，普通車削及超聲橢圓振動輔助車削切削力均升高。對同一進給速度，與普通車削相比超聲橢圓振動輔助車削切削力均降低，且隨進給速度增加其降低幅度減小。對比超聲橢圓振動輔助車削與普通車削工件表面形貌發(fā)現(xiàn)，施加超聲橢圓振動后工件表面沿切削速度方向形成有規(guī)律振紋。

關鍵詞：鈦合金；超聲橢圓振動輔助車削；切削力；表面粗糙度

收稿日期：2014-02-08修改稿收到日期：2014-03-27

中圖分類號:TG506.5文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學

Tests for ultrasonic elliptical vibration-assisted turning of titanium alloy

LUDong1,2,CAILi-gang1,CHENGQiang1,WUYong-bo3(1. College of Mechanical & Electrical Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2. School o Aeronautic and Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China;3. Department of Machine Intelligence and Systems Engineering, Akita Prefectural University, Akita 015-0055, Japan)

Abstract:Tests for ultrasonic elliptical vibration-assisted turning (UEVT) of titanium alloy were carried out. The elliptical trajectories of the cutting tool under different power supplying levels were obtained. The variations of the cutting forces in UEVT were analyzed. It was shown that compared with cutting forces in conventional turning (CT), the cutting forces in UEVT decreases obviously. The surface roughness in UEVT was also studied. The results showed that compared with surface roughness in CT, the surface roughness Ra value in UEVT is a little bit larger, while the surface roughness Rz value decreases obviously in UEVT. The effect of feed rate on cutting forces was analyzed. It was shown that the cutting forces increase with increase in the feed rate both in CT and UEVT; for the same feed rate, the cutting forces in UEVT are less than those in CT; the reduction level decreases with increase in the feed rate. The morphologies of a workpiece, surface were observed both in CT and UEVT. It was shown that regular vibration marks along the cutting rate direction on the workpiece surface are found in UEVT.

Key words:titanium alloy; ultrasonic elliptical vibration-assisted turning (UEVT); cutting force; surface roughness

鈦合金因具有密度小、比強度高、熱穩(wěn)定性及抗腐蝕性好等優(yōu)點廣泛用于航空航天、國防、生物醫(yī)學等領域。由于鈦合金的導熱系數小、彈性模量小、化學活性高等特性致其切削過程中溫度高、單位面積切削力大，進而導致刀具磨損嚴重、工件變形難以控制、工件表面質量難以保證等問題。用傳統(tǒng)的切削方法很難實現(xiàn)鈦合金高效、低成本加工，為此引入超聲振動輔助加工方式。Riaz等[1]通過在刀具上施加沿切削速度方向的超聲振動，進行新型鈦合金Ti6Al2Sn4Zr6Mo及 Ti6Al7Zr6Mo0.9La輔助車削實驗研究。結果表明，與傳統(tǒng)車削相比，超聲振動輔助車削法向切削力降低、表面粗糙度提高、切屑變短。Maurotto等[2-3]通過在刀具上施加沿切削速度方向的超聲振動，進行鈦合金Ti-15- 3-3-3切削加工性研究。結果表明，與普通車削相比超聲振動輔助車削可明顯降低切削力平均值，且材料去除率及工件表面質量得到提高。Patil等[4]對鈦合金Ti6Al4V超聲振動輔助車削有限元仿真及實驗研究，刀具超聲振動方向為切削速度方向，發(fā)現(xiàn)施加超聲振動后切削力及切削溫度明顯降低，切屑寬度減小。路冬等[5]建立鈦合金超聲振動輔助車削有限元仿真模型，并在刀具上施加沿切削速度方向超聲振動，分析超聲振動振幅及頻率對切削力及刀尖溫度影響規(guī)律。何俊等[6]建立鈦合金TC4熱應力耦合二維超聲橢圓振動輔助切削模型，刀具振動方向為切削速度方向及切屑流出方向，與單向超聲振動輔助切削相比超聲橢圓振動輔助切削切屑變形系數、切削力降低，切削溫度略升高。超聲橢圓振動輔助切削與單向超聲振動輔助切削相比，對難加工材料有更好的優(yōu)越性[7]，已有鈦合金超聲振動輔助切削研究大多為單向超聲振動輔助切削，對鈦合金超聲橢圓振動輔助切削加工機理研究較少。

基于以上原因，本文開展鈦合金超聲橢圓振動輔助車削實驗研究，分析刀具超聲橢圓振動振幅、進給速度等對切削力、表面粗糙度影響規(guī)律，為鈦合金超聲橢圓振動輔助切削加工提供指導。

1鈦合金超聲橢圓振動輔助車削實驗

1.1超聲橢圓振動輔助車削實驗裝置

圖1為鈦合金超聲橢圓振動輔助切削示意圖，刀具同時在兩個方向產生振動，即工件軸向為X向；工件徑向為Y向。刀具沿X方向振幅為Ax，Y方向振幅為Ay，刀具進給速度為Vf。圖2為實驗裝置圖，將超聲振動輔助車削單元(日本岳將公司，UL40-A1)通過連接裝置安裝在測力儀(Kistler公司，9257B)上，用三菱公司的硬質合金刀片(TPGX0800204)，刀尖圓弧半徑為0.4 mm，刀具前角0°、后角11°、主偏角90°、副偏角30°。

圖1　超聲橢圓振動輔助車削示意圖 Fig.1Illustration of the ultrasonic elliptical vibrationassisted turning

圖2　超聲橢圓振動輔助車削實驗裝置 Fig.2 Experimental setup for ultrasonic elliptical vibration assisted turning

1.2刀具振幅測量

刀具固定在刀架上，見圖3。采用兩臺多普勒激光振動測試儀(小野測器，LV-3300)測量超聲波不同輸出電壓時刀具對應的兩方向振幅，用示波器合成刀具在XOY平面的運動軌跡，見圖4。由圖4看出，刀具的運動軌跡近似橢圓，并沿逆時針方向運動。隨超聲波電源電壓增大刀具沿X、Y向振幅均增大。刀具的橢圓運動軌跡使其在切出階段沿X、Y方向同時遠離工件，利于刀具散熱、減小后刀面與已加工表面摩擦。

圖3　刀具振幅測量 Fig.3 Measurement of vibration amplitudes of the cutting tool

圖4　XOY平面內刀具運動軌跡 Fig.4 Trajectory of the cutting tool on XOY plane

1.3超聲振動輔助車削實驗條件

直徑40 mm的鈦合金Ti6Al4V按圖2安裝在三爪卡盤上。超聲橢圓振動輔助車削實驗參數見表1。

表1　超聲橢圓振動輔助車削實驗參數

2切削力分析

用表1中方案一的實驗參數對鈦合金進行超聲橢圓振動輔助車削實驗。由普通車削到超聲橢圓振動輔助車削再到普通車削過程中切削力變化規(guī)律見圖5。由圖5看出，t=0~1.8 s開始切削，t=1.8~4 s普通車削進入穩(wěn)態(tài)，t=4 s時刀具上施加超聲橢圓振動(超聲波電源電壓為30%)，t=4~6.3 s為超聲橢圓振動輔助切削階段；t=6.3 s時關閉超聲波電源，t=6.3~8 s再次進入普通車削階段。普通車削過程中三方向切削力平均值分別為Fx=32.6 N，F(xiàn)y=23 N，F(xiàn)z=15.5 N。刀具施加超聲橢圓振動(超聲波電源電壓為30%)后，三方向切削力平均值分別為Fx=27.6 N，F(xiàn)y=18.5 N，F(xiàn)z=8.24 N，與普通車削相比Fx降低15.3%，F(xiàn)y降低19.6%，F(xiàn)z降低46.9%。可見施加超聲后三方向切削力明顯降低。超聲橢圓振動輔助車削切削力隨超聲波電源電壓的變化規(guī)律見圖6。由圖6看出，隨超聲波電源電壓增加即隨橢圓超聲振動振幅增大，三方向切削力均降低，F(xiàn)z降低幅度最大，F(xiàn)x次之，F(xiàn)y最小。

圖5 超聲橢圓振動輔助車削與普通車削切削力比較Fig.5ComparisonofthecuttingforcebetweenUEATandCT圖6 切削力隨超聲波輸出電壓的變化Fig.6Theeffectofpowersupplyingleveloncuttingforce圖7 切削力隨進給速度的變化Fig.7Theeffectoffeedrateoncuttingforce

用表1方案二的實驗參數對鈦合金進行超聲橢圓振動輔助車削實驗。進給速度對切削力影響見圖7。由圖7看出，普通車削與超聲橢圓振動輔助車削的切削力均隨進給速度增大而增大，但對同一進給速度與普通車削相比，超聲橢圓振動車削切削力均降低，且隨進給速度加快降低幅度減小，因此在較低進給速度下更能發(fā)揮超聲橢圓振動輔助切削優(yōu)越性。

3表面粗糙度及表面形貌分析

按表1方案一的實驗參數對鈦合金進行超聲橢圓振動輔助車削實驗。用TaylorHobson觸針式粗糙度測試儀測量工件表面粗糙度Ra及Rz值，見圖8。由圖8看出，與普通車削相比施加20%的超聲波電源電壓后工件表面粗糙度Ra值略增大，工件表面粗糙度Rz值降低，繼續(xù)增大超聲波電源電壓，表面粗糙度Ra及Rz值均增大。測量普通車削及超聲橢圓振動輔助車削(超聲波電源電壓30%)沿進給方向4 mm長度上工件輪廓，見圖9。由圖9可知，施加超聲橢圓振動后工件表面均勻一致性提高。用KEYENCE激光顯微鏡觀察普通車削與超聲波電源電壓為30%時工件表面形貌見圖10。由圖10可知，施加超聲后工件表面沿切削速度方向形成有規(guī)律的振紋。

圖8 表面粗糙度隨超聲波輸出電壓變化Fig.8Theeffectofpowersupplyinglevelonsurfaceroughness圖9 普通車削與超聲橢圓振動輔助車削工件表面輪廓Fig.9WorkpiecesurfaceprofileinCTandUEVT圖10 普通車削與超聲橢圓振動輔助車削工件表面形貌Fig.10WorkpiecesurfacemorphologyinCTandUEVT

4結論

本文通過對鈦合金超聲橢圓振動輔助車削實驗研究，結論如下：

(1) 獲得不同超聲波電源電壓下刀具運動軌跡，刀具振動軌跡近似為XOY平面橢圓，刀具在XOY平面內沿逆時針方向運動；超聲波電源電壓增加，刀具沿X向、Y向振幅增大。

(2)分析超聲橢圓振動輔助車削切削力變化規(guī)律知，與普通車削相比超聲橢圓振動輔助車削能在很大程度上降低切削力，最明顯的為Z方向切削力；超聲振動振幅增大，切削力降低。

(3)通過分析超聲橢圓振動輔助車削工件表面粗糙度變化規(guī)律知，與普通車削相比超聲橢圓振動輔助車削工件表面粗度Ra值略增大，工件表面粗度Rz降低明顯，說明施加適當超聲振動振幅可在保證表面粗度Ra值增加不大情況下大幅降低工件表面粗度Rz值，提高工件表面的均勻一致性。

(4)由進給速度對切削力影響規(guī)律知，進給速度增大，普通車削及超聲橢圓振動輔助車削切削力均升高。同一進給速度，與普通車削相比超聲橢圓振動輔助車削切削力均降低，且隨進給速度增加降低幅度減小，表明進給速度越低越能發(fā)揮超聲橢圓振動輔助車削的優(yōu)越性。

(5)對比普通車削及超聲橢圓振動輔助車削工件表面形貌發(fā)現(xiàn)，施加超聲橢圓振動后沿切削速度方向工件表面形成有規(guī)律的振紋。

(6)超聲振動振幅增大，三方向切削力均降低，工件表面粗糙度Ra值增大。用超聲橢圓振動輔助切削鈦合金時，應在保證工件表面質量前提下適當增大超聲振動振幅。

參考文獻

[1]Riaz M, Hussain M S, Maurotto A, et al. Analysis of a free machiningα+βtitanium alloy using conventional and ultrasonically assisted turning[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2014, 214:906-915.

[2]Maurotto A, Muhammad R, Roy A, et al. Comparing machinability of Ti-15-3-3-3 and Ni-625 alloys in UAT [J]. Procedia CIRP, 2012, 1:330-335.

[3]Maurotto A, Riaz M, Roy A, et al. Enhanced ultrasonically assisted turning of aβ-titanium alloy[J]. Ultrasonics, 2013, 53:1242-1250.

[4]Patil S, Joshi S, Tewari A, et al. Modelling and simulation of effect of ultrasonic vibrations on machining of Ti6Al4V[J]. Ultrasonics, 2014, 54(2): 694-705.

[5]路冬, 黃紅福, 吳勇波, 等. 基于ALE方法的鈦合金超聲振動車削仿真[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(15): 59-62.

LU Dong, HUANG Hong-fu, WU Yong-bo, et al. Finite element simulation of ultrasonic assisted turning of titanium alloy based on ALE method[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(15):59-62.

[6]何俊, 夏斌. TC鈦合金超聲波橢圓振動切削仿真研究[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2013 (11):17-19.

HE Jun, XIA Bin. Simulation study of ultrasonically elliptical vibration cutting of TC4 Ti alloy[J]. ModularMachine tool & Automatic Manufacturing Technique, 2013(11):17-19.

[7]Zhang X Q, Kumar A S, Rahman M, et al.Experimental study on ultrasonic elliptical vibration cutting of hardened steel using PCD tools[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2011, 211(11): 1701-1709.