5A06鋁合金的超聲車削加工實驗研究

董保，王剛

（東北輕合金有限責(zé)任公司熔鑄廠，黑龍江 哈爾濱 150060）

5A06鋁合金的超聲車削加工實驗研究

董保，王剛

（東北輕合金有限責(zé)任公司熔鑄廠，黑龍江 哈爾濱 150060）

5A06鋁合金車削加工時粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重，易產(chǎn)生積屑瘤，很難獲得好的已加工表面質(zhì)量，為解決這些難題，本文將超聲波理論與切削加工理論相結(jié)合，利用超聲車削方法進行實驗研究，并對比超聲車削與普通車削的加工效果。結(jié)果表明，超聲車削可以降低切削力、減輕刀具磨損、改善已加工表面質(zhì)量。

5A06鋁合金；超聲車削；切削力；刀具磨損；表面質(zhì)量

車削加工在生產(chǎn)中占有十分重要的地位，但隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)實驗的需要，新型材料在機械制造中日益被廣泛地采用，產(chǎn)品需求量越來越大，同時對其加工質(zhì)量、加工精度、加工效率以及某些特殊要求越來越高，普通車削已經(jīng)難以滿足其加工要求。超聲車削作為一種新型特種加工方法可以實現(xiàn)比普通車削更好的加工效果，在難加工材料以及難加工工序的加工中都具有很高的應(yīng)用價值。超聲車削使普通車削發(fā)生根本變化，是超聲振動與普通車削相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法，通過給刀具或工件施加高頻、小振幅的超聲振動來實現(xiàn)刀具與工件之間的周期性分離，屬于斷續(xù)切削。

1 超聲車削機理

由于刀具的形狀相對較固定且質(zhì)量較輕，易于實現(xiàn)系列化，所以本文將超聲振動施加在刀具上進行研究。在超聲振動的輔助作用下，超聲車削加工過程中刀具與工件之間反復(fù)循環(huán)地進行著接觸、切削、分離的過程，刀具在切削方向上做簡諧振動，其運動軌跡近似一條正弦曲線。

超聲車削機理如圖1所示，在一個振動周期T內(nèi)只有在時間tc內(nèi)刀具與工件接觸，其余時間刀具與工件分離。當(dāng)?shù)毒吲c工件分離時切削力為零，當(dāng)?shù)毒吲c工件接觸時才會產(chǎn)生切削力，即只有在圖1中的ab段才會產(chǎn)生切削力，因此與普通車削相比超聲車削可顯著降低切削力。

超聲車削時刀具與工件之間隨著超聲振動頻率瞬時地進行切入和切出，同時運動速度和方向不斷變化，使得工件材料在加工過程中的塑性變形減小并趨向于塑性狀態(tài)，因此摩擦系數(shù)會降低。超聲車削時刀具后刀面與工件之間的摩擦力Fr可表示為：

式中：μ為動摩擦因數(shù)，F(xiàn)n為刀具相對于工件的法向作用力，Vc為切削速度，Vr為臨界切削速度。當(dāng)Vc≥Vr時相當(dāng)于普通車削過程，作用于刀具后刀面上的摩擦力為μFn；當(dāng)Vc

圖1 超聲車削機理

基于上述理論，本文在CA6140普通車床上建立超聲車削加工系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由超聲發(fā)生器、換能器、變幅桿、刀具及測量設(shè)備等部分組成。利用該加工系統(tǒng)便可實現(xiàn)超聲車削加工，并可獲得比普通車削更好的加工效果。

圖2 超聲車削加工系統(tǒng)

2 實驗與分析

在相同的工藝參數(shù)條件下做有無超聲振動的車削實驗，工件選為本公司生產(chǎn)的5A06鋁合金，該材料的塑性較高，在加工中極易產(chǎn)生積屑瘤，且粘刀現(xiàn)象非常嚴(yán)重，很難獲得好的已加工表面質(zhì)量，為獲得理想的實驗結(jié)果，選用熱硬性和耐磨性相對較好的CCMT120404-HM Y BM251型硬質(zhì)合金涂層刀具。

2.1 切削力分析

主切削力的大小約為總切削力的80%～90%，方向與主運動速度方向和超聲振動方向相同，是監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)的主要分力，因此在這里主要分析主切削力。利用普通車削方法和超聲車削方法得到的主切削力對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 切削力對比結(jié)果

從圖3能明顯看出，超聲車削的主切削力小于普通車削很多，原因在于超聲車削是在極短時間內(nèi)實現(xiàn)的微量車削過程，刀具在極小的位移上獲得較大的瞬時速度與加速度，局部產(chǎn)生很高的沖擊能量導(dǎo)致切削區(qū)材料迅速變形，摩擦系數(shù)降低，塑性變形減小，從而降低了切削力。在理想的情況下，與普通車削相比超聲車削的動摩擦系數(shù)可下降近10倍，其關(guān)系式為：

式中，μUAT和μCT分別為超聲車削和普通車削的動摩擦系數(shù)。

2.2 刀具磨損分析

刀具的后刀面與已加工表面之間的摩擦導(dǎo)致切削刃耗失而引起后刀面磨損，它影響已加工工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，在實際應(yīng)用中一般把后刀面磨損作為刀具磨損標(biāo)準(zhǔn)。利用普通車削方法和超聲車削方法得到的后刀面磨損對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 刀具磨損對比結(jié)果

從圖4可以明顯看到，在相同的切削條件下普通車削的刀具已經(jīng)出現(xiàn)破損現(xiàn)象，而超聲車削的刀具還處于正常的磨損階段，驗證了超聲車削對刀具磨損的抑制作用。超聲車削的后刀面磨損之所以會小于普通車削，主要包括以下幾點原因：①超聲振動的作用能降低刀具與工件接觸時的摩擦系數(shù)；②在超聲車削加工過程中，刀具與切屑的分離作用使得刀具與工件的粘附現(xiàn)象減少，同時也破壞了與鱗刺的產(chǎn)生條件，使摩擦力減小；③在超聲振動的輔助作用下提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及剛度。

2.3 表面質(zhì)量分析

較低的切削力和較輕的刀具磨損有助于改善已加工表面質(zhì)量、提高加工精度。利用普通車削方法和超聲車削方法得到的表面粗糙度對比結(jié)果如圖5所示。從圖5中能看出，在50 mm的測量長度內(nèi)，普通車削的表面高度范圍明顯大于超聲車削，測量得出普通車削的表面粗糙度R a約為1.5 μ m，而超聲車削的表面粗糙度R a只有約為0.8 μ m，施加超聲振動后表面粗糙度的降低幅度非常大，降低約47%。

圖5 表面粗糙度對比結(jié)果

為了進一步證明超聲車削的已加工表面質(zhì)量好于普通車削，利用普通車削方法和超聲車削方法得到如圖6所示的已加工表面形貌對比結(jié)果。

TG506.5；TH161

B

1671-0711（2016）10（上）-0111-03