超聲縱扭銑削鈦合金表面形貌特性及有效性分析

摘要：

針對鈦合金難加工材料在銑削加工過程中表面質(zhì)量難以控制的問題，提出將超聲縱扭復合振動與銑削加工相復合，搭建超聲縱扭銑削系統(tǒng)試驗平臺。從切削速度、每齒進給量、切削深度、超聲振幅4個方面進行單因素試驗，對比分析超聲縱扭銑削和普通銑削加工表面紋理和表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)超聲縱扭銑削產(chǎn)生的表面紋理規(guī)則均勻，而普通銑削存在明顯的粘連現(xiàn)象并伴有鱗刺產(chǎn)生，超聲縱扭銑削時表面粗糙度值明顯低于普通銑削加工時表面粗糙度值，進而得出超聲縱扭銑削時速度越大、振幅越大，表面粗糙度值越小的結論。重點對表面形貌影響比較大的每齒進給量進行了仿真與試驗的對比及有效性分析，結果表明，試驗結果與仿真結果趨勢一致，與理論分析結果具有較高吻合度，超聲縱扭銑削加工的相對誤差低于普通銑削加工相對誤差，表面加工質(zhì)量明顯高于普通銑削加工表面質(zhì)量。

關鍵詞：超聲縱扭振動；銑削；表面形貌；有效性分析

中圖分類號：TG146

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.006

Surface Morphology Characteristics and Effectiveness Analysis of Ultrasonic Longitudinal Torsion Assisted Milling of Titanium Alloys

LI Fengqin1 ZHAO Bo2 HAO Wangshen3 WANG Xiaobo2

1.School of Resources and Safety Engineering，Henan University of Engineering，Zhengzhou，451191

2.School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan，454003

3.School of Mechanical and Power Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou，450001

Abstract： In order to solve the problems that the surface quality of difficult-to-cut titanium alloy materials was difficult to be controlled in milling，" a combination of ultrasonic longitudinal-torsional vibration and milling was proposed， and the experimental platform of ultrasonic longitudinal-torsional milling system was built. A single factor test was carried out from four aspects of cutting speed， feed per tooth， cutting depth， and ultrasonic amplitude， and the surface textures and roughnesses of ultrasonic longitudinal-torsional milling and ordinary milling were compared and analyzed. It is found that the surface textures produced by ultrasonic longitudinal-torsional milling were uniform， while the common milling has obvious adhesion phenomena accompanied by scale-spikes. The surface roughness values of ultrasonic longitudinal-torsional milling are obviously lower than that of ordinary milling， and it is concluded that the higher the speed， the larger the amplitude and the smaller the surface roughness value during ultrasonic longitudinal-torsional milling. The simulation and experiments were contrasted and effectively analysed for the feed per tooth， which has a great influence on the surface topography. The results show that the trends of experiment and simulation are consistent and have a high degree of agreement with the theoretical analysis， and the relative errors of ultrasonic longitudinal-torsional milling are lower than that of ordinary milling， and the quality of ultrasonic surface milling is obviously higher than that of ordinary milling.

Key words： ultrasonic longitudinal torsional vibration； milling； surface morphology； effectiveness analysis

收稿日期：2022-02-14

基金項目：

國家自然科學基金（51475148，51805284，52104126，51875179）；河南省高等學校重點科研項目（21A460003）；河南省高校科技創(chuàng)新團隊計劃（22IRTSTHN009）

0 引言

鈦合金由于其優(yōu)異的力學性能被廣泛應用于航空航天工業(yè)中的關鍵結構部件［1-4］，然而，鈦合金具有導熱性差、彈性模量小、化學活性高等不良切削特性，導致在切削加工中表面質(zhì)量難以控制［5-7］，嚴重影響了關鍵結構部件的使用性能和壽命。

近年來，國內(nèi)外學者對鈦合金材料在超聲輔助振動切削中的表面形貌特征進行了大量理論研究及試驗探索。閆明鵬［8］建立了軸向超聲振動的鉆削加工系統(tǒng)，通過試驗和仿真分析對鈦合金Ti6Al4V進行了軸向超聲振動鉆削研究，結果表明，軸向振動鉆削能夠減小摩擦力，延長刀具壽命，減小軸向切削力和扭矩，使加工表面更加平整、光滑，表面粗糙度更低。WANG等［9］通過試驗研究了超聲扭振輔助銑削鈦合金時的銑削參數(shù)對表面質(zhì)量的影響，在優(yōu)化參數(shù)的基礎上建立了表面粗糙度預測模型，試驗表明，超聲扭振輔助銑削明顯降低了加工后的表面粗糙度，且較低的銑削速度和較大的振幅更有利于改善超聲扭轉銑削加工后的表面粗糙度。喻宏慶等［10］設計了徑向超聲波振動輔助銑削加工裝置，發(fā)現(xiàn)徑向超聲波振動輔助銑削能改進不同加工參數(shù)下的表面粗糙度，減小徑向切削力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。CHEN等［11］采用超聲振動螺旋銑削加工鈦合金Ti6Al4V材料，并與常規(guī)螺旋銑削加工進行了對比，結果表明，在不同的銑削速度下，超聲螺旋銑削的軸向切削力比普通螺旋銑削的軸向切削力減小46%，在周向和軸向上，超聲螺旋銑削使孔表面的壓應力增大99%和85%。XIANG［12］采用超聲縱扭振動切削蜂窩夾層復合材料，結果表明，在任一參數(shù)下縱扭振動切削力小于縱向單向振動加工切削力，且加工表面毛刺更小、毛刺率更低、撕裂缺陷更少。上述文獻多是從超聲單向輔助振動切削鈦合金材料的表面特性方面進行研究，而對超聲縱扭雙向復合振動切削鈦合金材料表面特性方面的研究較少。

本文將超聲縱扭復合振動與銑削加工相復合，采用理論建模、仿真分析和試驗研究相結合的方法研究超聲縱扭輔助銑削鈦合金的表面形貌特性，分析不同切削參數(shù)和聲學參數(shù)對表面形貌的影響規(guī)律，揭示超聲縱扭銑削已加工表面形貌的形成機理和力學本質(zhì)。

1 超聲縱扭銑削運動特性分析

超聲縱扭復合振動是以刀具作為振動載體，沿刀具旋轉方向的扭轉振動與沿刀具軸向的超聲縱向振動的耦合振動。超聲縱扭振動銑削如圖1所示，刀具切削刃的運動由刀具旋轉主運動、超聲縱向振動、超聲扭轉振動和進給運動組成。

3 試驗條件及試驗結果

3.1 超聲縱扭聲學系統(tǒng)

試驗中采用的超聲縱扭聲學系統(tǒng)主要由非接觸式能量傳輸系統(tǒng)、螺旋槽變幅桿、壓電式換能器以及超聲波發(fā)生器組成，如圖4所示。通過在變幅桿上開螺旋槽實現(xiàn)雙激勵作用下刀具超聲縱扭復合振動輸出，其仿真結果如圖5所示。進一步通過對裝配后的聲學振動系統(tǒng)進行阻抗和振幅測試，得出系統(tǒng)的諧振頻率為35.073 kHz，縱向振幅和扭轉振幅之比約為1∶0.6。

為了減小超聲變幅桿在實際加工中存在的誤差，需要進一步對其進行超聲振動聲學系統(tǒng)的性能測試，試驗中采用PV70A型阻抗分析儀進行測試，測試結果顯示諧振頻率為35.64 kHz，與設計頻率35 kHz誤差較小，滿足使用要求，縱扭比值為1∶0.6。

3.2 試驗平臺搭建

在WMC850E三軸立式加工中心上采用無線傳輸超聲集成刀柄對鈦合金Ti6Al4V進行超聲縱扭復合振動側銑加工試驗。其中，換能器、變幅桿和銑刀依次連接后安裝在機床主軸上，超聲電源通過無線傳輸盤與超聲換能器相連。與之配套的設備還有Kistler9257B測力儀、N19205多通道數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器以及安裝有數(shù)據(jù)處理軟件的計算機。試驗平臺搭建如圖6所示。

試驗所用材料鈦合金Ti6Al4V為同批次鑄造而成，它的力學性能如表1所示。銑削所用刀具為四刃直柄粉末高硬奈米平頭立銑刀，型號為YNES40800AF，直徑為8.0 mm，螺旋角為35°，切齒個數(shù)為4，刃長為25 mm，總長為60 mm。為降低刀具磨損對試驗結果的影響，每次銑削過程都采用新刀具。

3.3 試驗方案

在超聲銑削加工過程中，影響表面加工質(zhì)量的因素眾多，本試驗重點從切削速度、超聲振幅、每齒進給量三個因素設計試驗方案，研究其對超聲銑削加工結果的影響。

首先，通過單因素試驗在每齒進給量和徑向切深一定時，對不同切削速度、不同超聲振幅下的超聲縱扭銑削的表面形貌及表面粗糙度進行對比分析，試驗方案如表2所示。

3.4 超聲縱扭銑削與普通銑削表面形貌試驗結果對比

圖7和圖8所示分別為切削速度vc為90 m/min和120 m/min、每齒進給量為0.03 mm、徑向切深為0.2 mm、振幅分別為0（普通銑削）、2 μm和4 μm時，掃描電子顯微鏡拍攝的加工表面形貌。從圖7a和圖8a中可以看出，普通銑削加工的表面刀具與工件存在著明顯的粘連現(xiàn)象，并伴有鱗刺產(chǎn)生。從圖7b、圖7c、圖8b、圖8c可以看出，超聲銑削加工由于高頻振動使刀具-工件不斷分離，加工表面分布著魚鱗片狀的加工網(wǎng)紋，紋理均勻、規(guī)則，并且可以明顯觀察出超聲加工過程中刀尖的運動軌跡，如黑色曲線所示，與圖2所述的刀尖運動軌跡一致。

分別對比圖7b和圖7c，以及圖8b和圖8c發(fā)現(xiàn)，在銑削速度一定時，超聲振幅為4 μm時，已加工表面魚鱗片狀的結構尺寸比超聲振幅為2 μm時大，這說明超聲振幅越大，魚鱗片狀網(wǎng)絡越明顯，對加工表面形貌的影響也越大。

再將圖7b和圖8b對比，或者將圖7c和圖8c對比可發(fā)現(xiàn)，切削速度為120 m/min時，加工表面魚鱗片的結構尺寸較大，密度較小，而切削速度為90 m/min時，加工表面魚鱗片的結構尺寸較小，密度較大，這是由于當切削速度較大時，主軸旋轉一周時超聲振動的次數(shù)較少，因而形成的魚鱗片結構尺寸大，密度小。

采用WykoNT9300白光干涉儀測得表2所列參數(shù)加工后的表面粗糙度，如圖9所示。在切削速度一定時，超聲縱扭振動切削加工時的表面粗糙度值明顯小于普通銑削加工時的表面粗糙度值，并且表面粗糙度隨著超聲振幅的增大呈現(xiàn)下降趨勢。結合圖7和圖8分析可知，超聲振動的加入對加工系統(tǒng)施加了高頻的脈沖沖擊，這種沖擊能量能夠瞬間軟化待加工表面并實現(xiàn)對材料的均勻去除，減小切削時材料的局部變形，同時降低加工表面的粗糙度。

而由圖9分析又可知，相同加工參數(shù)下，切削速度為120 m/min時的表面粗糙度值要小于切削速度為90 m/min時的表面粗糙度值，這是因為當切削速度增大時，切削溫度升高，切屑底層發(fā)生軟化，減少了切屑底部與前刀面之間的摩擦，使切削過程變得平穩(wěn)，降低了加工表面的粗糙度。

由此得出，超聲縱扭銑削加工時，速度越大，振幅越大，表面粗糙度越小。在進行超聲縱扭銑削加工與普通銑削加工試驗對比時發(fā)現(xiàn)，縱扭銑削加工后表面紋理明顯比普通銑削加工后表面紋理均勻規(guī)則，而表面粗糙度也明顯降低了。

4 超聲縱扭銑削與普通銑削表面形貌仿真與試驗對比

在銑削加工時，工件已加工表面任意位置的表面形貌都是切削刃高頻斷續(xù)切削去除工件材料后殘留的表面［17-18］及已加工表面產(chǎn)生彈塑性變形綜合作用形成的最終表面形貌。表面形貌形成過程的仿真算法借助于式（15）已加工表面殘留高度的最小值建立，利用MATLAB軟件對普通銑削和超聲銑削三維表面形貌進行仿真，試驗加工后的表面通過白光干涉儀提取三維形貌，以不同的每齒進給量單因素設計為例進行仿真和試驗驗證，試驗參數(shù)如表3所示。

4.1 普通銑削已加工表面形貌試驗與仿真對比

圖10為普通銑削時不同的每齒進給量下三維表面形貌仿真圖（左側）和試驗圖（右側），其中仿真圖中的Y軸為進給方向，X軸為垂直進給方向，Z軸為輪廓高度，試驗圖中的方向與仿真圖一致。由分析可知，在不考慮偏心的情況下，隨著每齒進給量的增大，加工表面輪廓的殘留高度增大，沿進給方向相鄰兩切削刃的間距變小，峰谷之間的高度差變大。原因是當其他參數(shù)不變時，每齒進給量越大，單位時間內(nèi)銑刀在進給方向上相對工件的位移量越大，加工后表面殘留高度就越大。

4.2 超聲縱扭銑削已加工表面形貌試驗與仿真對比

圖11為超聲縱扭銑削不同的每齒進給量表面形貌仿真圖（左側）和試驗圖（右側），其中仿真圖中的X軸、Y軸、Z軸的方向同圖10，試驗圖中的方向與仿真圖一致。由分析可知，隨著每齒進給量的增大，加工表面輪廓的殘留高度增大，沿進給方向相鄰兩切削刃的間距變小，峰谷之間的高度差變大。原因是當超聲振幅不變時，每齒進給量增大時，單位時間內(nèi)銑刀每旋轉一個齒間角，銑刀相對工件材料在進給方向的位移增大，從而加大了表面輪廓的殘留高度。因此，在超聲縱扭銑削加工中，其他參數(shù)不變時，減小每齒進給量可以降低表面粗糙度，改善表面形貌。

5 試驗與仿真有效性分析

圖12a、圖12b和圖13a、圖13b分別為普通銑削和超聲縱扭銑削時每齒進給量為0.04 mm、切削速度為90 m/min、徑向切深為0.3 mm、超聲振幅為4 μm時的實測加工與仿真時的表面形貌，對比分析可知，實測加工形貌與仿真形貌的紋理趨勢具有相似性，在普通加工下，實測形貌和仿真形貌的最大輪廓高度分別為9.42 μm和10 μm，相對誤差為6.1%。通過計算得到實測形貌與仿真形貌的均方根高度Sq分別為6.7 μm和7.1 μm，相對誤差為6.0%。在超聲縱扭加工下，實測形貌和仿真形貌的最大輪廓高度分別為3.8 μm和4 μm，相對誤差為5.3%。通過計算得到實測形貌與仿真形貌的均方根高度Sq分別為2.5 μm和2.6 μm，相對誤差為4.0%。從分析中可知，超聲縱扭加工下的最大輪廓高度和均方根高度的相對誤差都比普通銑削加工相對較小，說明超聲縱扭銑削加工時，表面形貌加工質(zhì)量明顯高于普通加工表面形貌質(zhì)量。

由圖12c和圖13c實測值與仿真值殘留高度曲線可以看出，實測形貌輪廓與仿真形貌輪廓具有較高吻合度，仿真輪廓能有效表達實測輪廓的趨勢和特征，但還是存在一定偏差，

造成這一偏差的原因很多，如加工過程中產(chǎn)生的殘余應力所導致的變形，高應力、高應變率和高溫度導致工件發(fā)生的塑性變形

等是造成誤差的主要原因；表面形貌測試過程中的誤差，刀具在加工過程中的磨損等也是造成偏差的原因；表面形貌仿真中網(wǎng)格劃分的細化程度，仿真模型本身的精度及仿真程序運算的時間等也會對結果產(chǎn)生一定的影響。

6 結論

（1）從超聲縱扭銑削加工和普通銑削加工產(chǎn)生的表面形貌分析可知，超聲縱扭銑削在加工過程中因產(chǎn)生周期性“分離-接觸”現(xiàn)象，使得被加工表面分布著魚鱗片狀的加工網(wǎng)紋，刻畫出比較均勻規(guī)則的加工紋理，并且銑削速度越大，加工表面魚鱗片的結構尺寸越大，密度越小。而普通銑削加工的表面刀具與工件存在著明顯的粘連現(xiàn)象，并伴有鱗刺產(chǎn)生。

（2） 對比分析超聲縱扭銑削和普通銑削加工后的表面粗糙度發(fā)現(xiàn)，在切削速度一定時，超聲縱扭振動銑削時的表面粗糙度值明顯小于普通銑削加工時的表面粗糙度值，并得出超聲縱扭加工時的速度越大，振幅越大，表面粗糙度越小的結論。

（3） 從試驗和仿真兩個方面分析不同的每齒進給量對表面輪廓的影響發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)不變時，隨著每齒進給量的減小，加工表面輪廓的殘留高度減小，沿進給方向相鄰兩切削刃的間距變大，峰谷之間的高度差變小，相應粗糙度也會減小，進而改善表面形貌，試驗與仿真的趨勢一致，與理論分析具有較高吻合度。

（4） 針對不同的每齒進給量，對超聲縱扭銑削和普通銑削后的二維表面形貌波紋度曲線進行提取，并進行有效性分析，發(fā)現(xiàn)在超聲縱扭銑削加工下，實測形貌和仿真形貌的最大輪廓高度相對誤差為5.3%，均方根高度相對誤差約為4.0%。在普通加工下，實測形貌和仿真形貌的最大輪廓高度相對誤差為6.1%，均方根高度相對誤差為6.0%。結果表明，仿真輪廓能有效表達實測輪廓的周期性特征和高度特征，超聲縱扭銑削加工時，表面形貌加工質(zhì)量明顯高于普通銑削加工表面形貌質(zhì)量。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

李鳳琴，女，1979年生，博士。研究方向為精密超精密加工技術與裝備。E-mail：lfq0912@163.com。

趙 波（通信作者），男，1956年生，教授、博士研究生導師。研究方向為先進制造技術、硬脆材料精密加工技術與裝備。E-mail：zhaob@hpu.edu.cn。