鈦合金超聲振動鉆削工藝特性仿真及試驗研究

趙甘霖，馮平法，2，*，張建富

（1.清華大學 機械工程系 精密超精密制造裝備及控制北京市重點實驗室，北京100084；2.清華大學 深圳研究生院 先進制造學部，深圳518055）

鈦合金具有相對于傳統鋼材質量輕、比強度高、耐腐蝕性強、熱硬性好、低溫性能好等一系列優異的性能，所以鈦合金逐漸被廣泛應用到航空航天、醫療器械、航海艦船、石油化工等諸多領域，被人們冠以“全能金屬”、“太空金屬”等稱號［1-4］。但是鈦合金導熱系數低、塑性差、彈性模量低等特點，造成其切削性能很差。尤其是在使用麻花鉆的傳統鉆削工藝中，加工過程經常伴隨著較高的切削溫度和切削力，導致刀具磨損嚴重，加工效率很低，最終使得鈦合金鉆削加工的成本居高不下，加工效率十分堪憂［5-7］。

超聲振動鉆削技術是一種新興的特種精密加工技術，它是在傳統的鉆削刀具上施加一個超聲頻率振動，使刀具鉆削的運動變為主軸旋轉、軸向進給和高頻振動的疊加運動，改變了原有的切削原理和鉆頭運動狀況，從而產生了全新的加工特征與工藝特性。根據目前應用超聲振動鉆削技術加工不同材料的研究來看，超聲振動鉆削具有減小切削力、降低切削溫度、改善刀具磨損等優異的效果［8］，而這些正是鉆削鈦合金時亟需解決的問題，可以展望超聲振動鉆削技術在鈦合金鉆削上具有較好的應用前景。

目前，超聲振動鉆削技術在硬脆材料孔加工領域已經有了廣泛的應用，但在鈦合金等難加工材料孔加工領域還處于研究和可行性驗證階段。Paktinat和Amini［9］得出超聲振動鉆削可以降低鈦合金鉆削軸向力。Onikura等［10］通過實驗得出超聲振動可以減少切屑與前刀面間的摩擦力使得切削厚度更薄。Azarhoushang和Akbari［11］發現超聲振動鉆削技術可以明顯改善孔的表面質量、出口毛刺、孔精度和圓柱度等加工參數，對于改善孔加工質量有著積極的意義。閆明鵬和邵華［12］通過仿真發現超聲振動鉆削的減摩作用改善了鈦合金鉆削的散熱條件，從而延長了刀具壽命。聶倩倩［13］發現超聲振動鉆削能有效降低鈦合金鉆孔的圓度誤差，且提高了排屑性能。總體來看，目前針對鈦合金超聲鉆削的研究大多集中于一維的縱振加工，對于扭振和縱扭復合的超聲鉆削研究較少。

本文通過Deform-3D仿真軟件研究了鈦合金超聲振動鉆削的切削加工過程且進行了不同工藝之間的對比，重點分析了超聲縱扭復合振動鉆削，并搭建以超磁致伸縮材料為換能器材料的超聲加工試驗平臺進行試驗對比驗證，通過仿真和試驗研究了鈦合金超聲振動鉆削相對于傳統鉆削的部分工藝特性。

1 超聲振動鉆削系統的運動學特征

由于使用麻花鉆的傳統鉆削技術是應用最廣泛的孔加工方式［14］，所以目前絕大多數的超聲振動鉆削系統采用的是在麻花鉆的基礎上設計換能器、變幅桿和連接結構，從而實現麻花鉆切削部分的一個超聲振動效果。一個典型的超聲縱扭復合振動鉆削系統的示意圖如圖1所示。

圖1中，縱振是指與進給方向相同疊加的超聲振動，扭振是指振動方向與主軸旋轉方向相同疊加的超聲振動，所以一維的超聲縱振鉆削就可以看做扭振振幅為零的二維縱扭復合的特殊情況。

傳統鉆削中鉆頭主切削刃上最外側一點的運動軌跡方程為

圖1 典型超聲縱扭復合振動鉆削系統Fig.1 Typical ultrasonic longitudinal-torsional composite drilling system

式中：n為主軸轉速，r／min；fz為進給速度，mm／r；R為鉆頭半徑，mm；t為時間；x、y和z為鉆頭主切削刃最外側點在坐標系中的位置，且z為鉆頭進給方向。

對于超聲縱扭復合振動鉆削，假設初始相位為零，則軌跡方程變為

式中：A為縱振振幅，mm；φt為扭振角振幅，rad；f為縱扭振動頻率，Hz。

當R＝0.5mm，n＝5000 r／min，fz＝0.06mm／r，A＝0.005mm，f＝20 000Hz，φt＝0.01 rad時，通過MATLAB仿真可繪制出切削刃最外側點的切削運動軌跡如圖2所示。

超聲振動的疊加使得切削刃的運動軌跡不再是單一的等螺距勻速螺旋線運動，超聲鉆削的軌跡是一個鉆頭與工件不斷分離、接觸、沖擊的過程。這樣的切削方式將傳統鉆削的連續切削轉變為斷續切削。若以橫刃接觸工件與否作為判斷依據，則可以近似算出超聲振動鉆削過程中鉆頭與工件接觸的時間占總體加工時間的比例：

圖2 鉆頭切削刃最外側點運動軌跡Fig.2 Track of outermost point of drill cutting edges

代入上述實例數據可得Q＝2.5%，可知超聲振動使鉆頭與工件產生周期性分離，大幅降低了鉆頭與工件的接觸時間，也即減小了刀具和工件之間因摩擦和撞擊產生的切削熱。分離時間使刀具能夠與空氣或切削液之間進行充分的熱交換，從而增加了刀具的散熱能力。在鈦合金切削中對刀具壽命影響最大的因素就是切削過程中的高溫，超聲鉆削的斷續切削特性為改善鈦合金鉆削時刀具溫度高、壽命低的問題提供了一個有效途徑。

根據軌跡方程可以分別計算得出傳統鉆削和超聲縱扭復合振動鉆削切削刃上最外側一點的瞬時運動速度VN和VU分別為

取R＝0.5mm，n＝5000 r／min，fz＝0.06mm／r，A＝0.005mm，f＝20 000Hz，φt＝0.01 rad，可得傳統鉆削切削刃最外側一點的運動速度為一定值VN＝261.8mm／s。對于超聲振動鉆削，通過MATLAB畫出VU隨時間變化的速度曲線，如圖3所示。可見，切削速度相對傳統鉆削較大幅度提升，最高運動速度達到4倍以上。這意味著超聲縱扭復合振動鉆削的切削速度相對傳統鉆削有較大提高，具有高速切削的特征，對于降低切削力和提高切削效率有積極影響。

圖3 超聲振動鉆削切削刃最外側點運動速度曲線Fig.3 Motion speed curve of outermost point of cutting edges in ultrasonic vibration drilling

2 鈦合金超聲振動鉆削仿真

2.1 仿真前處理

為研究鈦合金超聲振動鉆削在軸向力和切削溫度方面的工藝特性，基于Deform-3D軟件建立了鈦合金鉆削的有限元仿真模型。工件材料為使用最為廣泛的Ti6Al4V，刀具采用傳統鉆削鈦合金中常用的硬質合金鎢鋼（WC-Co）麻花鉆。2種材料的基本參數見表1。

設置刀具為剛體，工件為塑性體。刀具為直徑為1mm、螺旋角為30°的標準麻花鉆，工件為φ1.5mm×0.5mm的圓柱體，并取麻花鉆完全鉆入的時刻作為仿真起始。有限元模型及網格劃分見圖4。

在保證初始進給速度和主軸轉速不變的前提下，分別對傳統鉆削、一維超聲縱振鉆削和二維超聲縱扭復合振動鉆削進行鈦合金鉆削仿真，對比3種加工方式的工藝特性。取麻花鉆尖端橫刃的縱振振幅為0.005mm，麻花鉆繞主軸旋轉的扭振角振幅為0.01 rad，即切削刃最外側一點的扭振振幅為0.005mm。具體的仿真參數見表2。

超聲振動加工仿真中，進給速度和切削速度需要分別疊加縱向和扭轉的振動，具體計算依據式（5）。由于超聲振動頻率很高，速度變化頻率很快，可將簡諧振動的速度函數近似看為鋸齒波，具體速度函數設置如圖5所示。圖中：v為超聲縱振進給速度，ω為超聲扭振切削速度。

表1 刀具與工件材料參數Tab le 1 M aterial param eters of tool and w orkpiece

圖4 麻花鉆及工件有限元模型Fig.4 Finite elementmodel of twist drill and workpiece

最后設定仿真步長為5×10－6s，是20 000 Hz超聲振動周期的十分之一，保證可以較準確地模擬每個振動周期內的鉆削加工情況。取整體鉆削深度為0.01mm。

表2 仿真參數Tab le 2 Sim u lation param eters

圖5 鉆削仿真速度函數Fig.5 Speed function of drilling simulation

2.2 鉆削軸向力

鈦合金鉆削中的軸向力也即鉆頭的z方向載荷是一個非常重要的工藝參數，過大的軸向切削力會導致鉆頭磨損和發熱嚴重，降低加工效率和質量。鈦合金由于其硬度高、變形系數小、硬化現象嚴重，鉆削時往往會伴隨較大的切削力，這一點限制了鈦合金鉆削時的切削速度和進給速度，是鈦合金加工效率低的一個重要原因。

仿真中取鉆削時間為2360μs，即鉆頭位移大致為0.01mm的過程進行軸向力分析對比，3種不同加工方式的軸向力曲線如圖6所示。

由圖6可知，傳統鉆削中軸向力是一個不斷上升再趨于平穩的過程，而超聲振動鉆削中軸向力是一個振蕩上升的過程，在鉆頭接觸工件時達到一個局部軸向力的峰值，而在鉆頭與工件分離時軸向力幾乎降為零。取每個振動周期中的最大軸向力進行比較，在軸向力較為穩定的階段（0.0015～0.002 36 s），圖6（a）～（c）中的軸向力平均值分別為338.4、190.9、173.6N，相對傳統鉆削，超聲縱振鉆削和超聲縱扭復合振動鉆削的平均軸向力分別降低了43.6%和48.7%。

圖6 不同加工方式的鈦合金鉆削軸向力曲線Fig.6 Axial force curves of titanium alloy drilling with different processing methods

超聲振動鉆削由于斷續切削和高速切削特性使得鈦合金鉆削過程中軸向力顯著降低，且縱扭復合振動具有更為顯著的降低軸向力的效果。

2.3 鉆削扭矩

在仿真時間2 360μs時，分析3種不同加工方式的扭矩分布，結果如圖7所示。

扭矩的變化曲線與軸向力基本一致，按照相同的方法可以分別計算出圖7（a）～（c）中50～2 360μs時間段的平均扭矩分別為46.6、23.9和22.1N·mm。超聲縱振鉆削和超聲縱扭復合振動鉆削相對傳統鉆削的平均扭矩分別降低了48.7%和52.6%。超聲振動鉆削顯著降低了鈦合金鉆削時的扭矩，且縱扭復合振動鉆削相對縱振的鉆削扭矩進一步下降，對于提高加工效率和加工質量有著重要意義。

圖7 不同加工方式的鈦合金鉆削扭矩曲線Fig.7 Torque curves of titanium alloy drilling with different processing methods

2.4 切削溫度

鈦合金導熱系數低是其加工過程中伴隨著高溫的重要原因，切削刃局部的高溫會加劇刀具磨損，嚴重制約鈦合金的加工效率。鈦合金鉆削仿真中最高溫度發生時刻的溫度云圖如圖8所示。可知圖8（a）～（c）的最高切削溫度分別為437、528和363℃，同時再分析切削較為穩定時刻的切削區域平均切削溫度，可得3種加工方式分別為100、50和40℃左右。從切削溫度分布結果中可知，超聲振動加工可以降低鈦合金鉆削的平均切削溫度達到50%以上，但是超聲縱振會因切削刃與工件不斷的沖擊導致切削刃上產生局部短時高溫，且溫度會超過傳統鉆削的極值，總體來看扭振對于降低切削溫度的效果優于縱振。超聲振動加工降低切削溫度的工藝特性能夠較大程度上改善鈦合金鉆削時的發熱情況，也驗證了此前理論分析中斷續切削降低切削溫度的事實，所以超聲振動鉆削鈦合金可以顯著延長刀具壽命。

圖8 鈦合金鉆削仿真過程最高溫時刻切削溫度云圖Fig.8 Contour of the highest cutting temperature during titanium alloy drilling simulation process

綜上所述，通過切削仿真可以得出鈦合金超聲鉆削相比于傳統鉆削能夠有效降低軸向力、扭矩和切削溫度，同時二維振動切削相比一維具有進一步地降低軸向力和切削溫度的效果，也即在傳統的一維縱振加工中引入扭振分量是對于鈦合金鉆削加工有利的。

3 鈦合金超聲振動鉆削試驗

試驗基于實驗室開發的大功率超磁致伸縮超聲加工試驗平臺進行，試驗裝置如圖9所示。主要由超聲換能器、變幅桿、機床主軸、麻花鉆及夾具組成。麻花鉆和工件材料與仿真相同。試驗前，利用Keyence LK-H008激光位移傳感器對麻花鉆尖端振幅進行測量。

麻花鉆由于本身結構的設計具有很多螺旋形的排屑槽，這就導致了換能器產生的超聲縱波傳播到麻花鉆時會在螺旋槽和空氣的界面上發生折射與反射，導致產生橫波并改變縱波傳播方向。同時，由于麻花鉆的螺旋槽是連續的，所以對于每一個單獨的超聲波來說會經過多次螺旋槽和空氣的界面，產生多次的反射和折射的超聲波。

圖9 超聲振動鉆削試驗裝置Fig.9 Experimental devices of ultrasonic vibration drilling

從最終麻花鉆橫刃和切削刃處的振動模態分析，傳波到此位置的超聲波應有各個方向的縱波和橫波，但還是以軸線方向的縱波為主，也就是縱振的分量。偏離軸線方向的縱波沿軸線方向的分量產生縱向振動，垂直于軸線的分量產生徑向振動，而橫波主要產生扭轉振動。所以帶有麻花鉆的超聲鉆削系統一般情況下必然是一個縱扭復合超聲鉆削系統。同時由于縱波和橫波的振源是相同的，所以二者具有相同的振動頻率。通過激光位移傳感器和仿真計算可以得到麻花鉆的超聲振動參數如表3所示。

鉆削參數如表4所示，采用對比試驗的方式，分別用相同的刀具先后進行傳統鉆削和超聲鉆削通孔的試驗，利用Kistler 9256C2切削力測量系統測量鉆削過程中的軸向力與扭矩，并用SOIF 55XA顯微鏡觀察加工孔的孔徑和出口毛刺情況。

表3 麻花鉆超聲振動參數Tab le 3 U ltrasonic vibration param eters of tw ist d rill

表4 超聲鉆削試驗參數Tab le 4 Experim ental param eters of u ltrasonic vibration d rilling

3.1 軸向力

從鉆頭接觸工件開始到鉆通全過程的軸向力變化情況如圖10所示。可以發現超聲與非超聲振動鉆削軸向力的變化趨勢基本相同，但明顯看出超聲振動鉆削中力的振蕩幅度要比傳統鉆削大很多，這與仿真中分析得出的結論是一致的。

圖10 軸向力數據采集結果Fig.10 Axial force data acquisition results

取鉆削平穩階段計算平均軸向力，結果如表5所示，綜合來看平均軸向力降低幅度在20%左右，與仿真降低幅度的48.7%相比有一定誤差。誤差的原因有幾個方面：①由于仿真計算規模的限制，仿真和試驗的邊界條件不完全相同，如冷卻條件、刀具剛度、刀屑摩擦系數等。②試驗中測力儀對超聲頻切削力信號的響應能力有限導致一定的測量誤差。③由于試驗中超聲系統承受負載后振幅會一定程度上降低，從而導致實際軸向力降低幅度減小。但總體上仿真和試驗的結論是一致的，即超聲振動鉆削能夠有效改善鈦合金的切削加工性能，提高斷屑能力，減小刀具摩擦，從而可以有效降低鉆削過程中的軸向力。

進一步地，改變超聲電源的電壓，隨著電壓增大，超聲縱扭振幅也會隨之增加。通過調節電壓使得超聲系統縱振振幅從 0 逐步提高到0.025mm，此時扭振振幅依舊可通過仿真計算中的縱扭比近似得出。通過試驗可得到超聲縱扭復合鉆削軸向力隨縱振振幅的變化情況，如圖11所示。可見，超聲振幅在一定范圍內越大軸向力越小，所以增大超聲縱振振幅和扭振振幅有助于減小鈦合金鉆削的軸向力。

表5 平均軸向力試驗結果Tab le 5 Experim ental resu lts of average axial force

圖11 軸向力隨縱振振幅變化Fig.11 Variation of axial force with amplitude

3.2 扭 矩

同樣可以通過試驗獲得鉆削鈦合金過程中的扭矩隨時間變化曲線，并求取穩定部分的平均值。具體測量值見表6。

試驗得到的超聲振動鉆削平均扭矩相對非超聲振動鉆削下降40%左右。綜合仿真和試驗結果來看，可以證明超聲振動鉆削具有顯著減小鈦合金鉆削扭矩的工藝特性，這對于提升鉆頭鉆削剛性、延長刀具壽命和提高加工孔質量有著重要作用。

表6 平均扭矩試驗結果Table 6 Experim ental resu lts of average torque

3.3 出口毛刺

傳統鈦合金鉆孔過程中容易出現較大的孔徑誤差和出口毛刺，去除毛刺極大延長了生產周期以及增加了制造成本［15］。

分別取麻花鉆1-1的第1組試驗和麻花鉆1-2的第1組試驗加工后的4個孔在顯微鏡下觀察其孔徑和出口毛刺情況，對比超聲和非超聲加工鈦合金加工質量和精度的差別。結果如圖12和表7所示。

圖12 出口毛刺顯微照片Fig.12 Micrographs of exit burrs

表7 孔徑和出口毛刺高度測量結果Tab le 7 M easurem ent resu lts of hole diam eter and exit burrs heigh t

根據測量結果可以看出，4組試驗的孔出口處均存在毛刺現象，但對比來看，2個超聲加工孔的出口毛刺高度較低。非超聲振動鉆削由于切削力大且為連續切削，同時也因為鈦合金的塑性較低，導致出口處有較多因撕裂而產生的出口毛刺且毛刺高度顯著高于超聲振動鉆削。另外根據測量數據可以看出，超聲振動鉆削鈦合金的孔徑的平均誤差與極差均小于非超聲振動鉆削。這是由于在傳統鉆削鈦合金的加工中切削力較大，且切屑多為連續不易斷，導致在鉆削過程中鉆頭很容易發生引偏，從而造成較大的孔徑誤差。在超聲振動加工中，斷續切削的特性使得鉆頭與工件不斷接觸和分離，在分離階段鉆頭可以及時恢復因接觸工件而發生的引偏，減少鉆頭側向偏移的幅度。超聲振動鉆削良好的斷屑特性使得切屑可以被及時切斷，防止其影響加工質量。

相對而言，超聲振動鉆削的加工質量要明顯優于傳統鉆削，這證明了超聲加工在改善鈦合金鉆削出口質量和加工精度方面有著積極的作用。

4 結 論

1）超聲振動鉆削的斷續切削特性大幅降低了鉆削過程中工件和刀具的接觸時間，提升了切削刃的運動速度，改善了鉆削過程中散熱環境并且提高了鉆削效率。

2）仿真和試驗表明，相比傳統鉆削，鈦合金超聲振動鉆削可以顯著降低鉆削軸向力、扭矩和平均切削溫度，減少出口毛刺高度和孔徑誤差，對提高鈦合金加工效率和改善加工質量有積極作用。

3）鈦合金超聲縱扭復合振動鉆削相比超聲一維縱振鉆削可以進一步降低鉆削軸向力、扭矩和切削溫度，體現出更好的鉆削工藝特性。