超聲輔助銑削鎳基高溫合金銑削力建模及實(shí)驗(yàn)研究＊

肖 強(qiáng) 馮真鵬 劉鎖強(qiáng)

（①西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；西安創(chuàng)源電力金具有限公司，陜西 西安 710032）

鎳基高溫合金具有良好的熱力學(xué)性能、高強(qiáng)度以及高硬度等優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫環(huán)境下特殊零部件的制造[1-2]，是一種重要的國(guó)防工業(yè)原材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器裝備等領(lǐng)域，成為航空引擎葉片、燃?xì)廨啓C(jī)等結(jié)構(gòu)件的重要材料。然而目前對(duì)鎳基高溫合金的加工多采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工，難以實(shí)現(xiàn)鎳合金高質(zhì)高效加工。超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)在普通機(jī)械加工的基礎(chǔ)上，對(duì)刀具或工件施加超聲頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了高頻斷續(xù)切削，具有降低宏觀切削力、改善加工環(huán)境、提高加工表面精度和質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于硬脆材料的加工[3-7]。以往多數(shù)超聲輔助切削技術(shù)是對(duì)工件施加超聲頻單向振動(dòng)，而對(duì)刀具施加軸向超聲頻振動(dòng)的研究較少[8-10]。因此，本文以鎳基高溫合金為研究對(duì)象，結(jié)合仿真模擬超聲振動(dòng)輔助加工過(guò)程，開(kāi)展超聲振動(dòng)輔助銑削實(shí)驗(yàn)，分析超聲振動(dòng)輔助作用對(duì)銑削力以及表面質(zhì)量的影響。

1 超聲振動(dòng)輔助銑削銑削力模型

機(jī)械加工零件時(shí)，材料抵抗變形和作用在前后刀面上的摩擦力是切削力產(chǎn)生的主要來(lái)源。切削力的產(chǎn)生示意圖如圖1 所示。

圖1 切削力的產(chǎn)生示意圖

由進(jìn)給速度vx可計(jì)算得出每齒進(jìn)給量為

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速；N為銑刀齒數(shù)。

在沿進(jìn)給方向?yàn)槠胀ㄣ娤骷庸ぃ鐖D2 所示，切削寬度b與銑刀旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ呈函數(shù)關(guān)系，即：

圖2 普通銑削加工示意圖

將式（1）代入式（2）得：

切削深度h的表達(dá)式為

根據(jù)經(jīng)典切削力計(jì)算公式，切向力和徑向力分別為

式中：Ft為切向力；Fr為徑向力；k為切削系數(shù)，k為常數(shù)，通過(guò)相關(guān)參數(shù)的聯(lián)立則可得到加工時(shí)的切向力和徑向力。

在銑削加工過(guò)程中，超聲振動(dòng)的介入改變了刀具原有的行走路線，切削力的大小和方向也隨之變動(dòng)。刀具在切削的同時(shí)也軸向振動(dòng)，工件材料還受到軸向的沖擊振動(dòng)作用。

銑刀軸向的加速度為

為求系統(tǒng)所受的沖擊作用力Fz，可簡(jiǎn)化超聲振動(dòng)裝置的等效質(zhì)量為M，則在Z向的沖擊力Fz為

由公式易得0≤Fz≤4π2Af2M，加工過(guò)程中超聲頻振動(dòng)的頻率較大，故產(chǎn)生的沖擊力也較大。

總切削力F為Ft、Fr、Fz的矢量和：

將式（7）、式（8）和式（10）代入式（11），可得到總銑削力的計(jì)算公式。

2 超聲振動(dòng)輔助銑削仿真

2.1 超聲振動(dòng)振幅對(duì)切削力影響仿真

振幅和頻率是影響振動(dòng)切削規(guī)律的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。為進(jìn)一步深入研究超聲波振動(dòng)的振幅與頻率對(duì)切削力的影響，在相同的切削速度、切削深度和寬度的條件下，只改變超聲振動(dòng)的振幅，進(jìn)行仿真研究，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三維斜角切削仿真參數(shù)設(shè)置

仿真結(jié)果如圖3 所示。振幅為0 時(shí)即普通銑削仿真過(guò)程中切削力信號(hào)變化曲線如圖3a 所示，可以看出，隨著切削的進(jìn)行，切削力逐漸增大。這是因?yàn)榈度信c工件逐漸接觸，接觸面積增大，產(chǎn)生的切削力也越大，并在穩(wěn)定切削階段呈現(xiàn)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。切削過(guò)程中，切削刃與工件呈45°，切削力大部分被轉(zhuǎn)移至x和z方向，也就克服了主要的阻力，在穩(wěn)定切削階段Fx值在27.5 N 附近波動(dòng)，F(xiàn)z值在19.1 N 附近波動(dòng)，而Fy接近于零。圖3b～圖3f 所示為不同振幅下的切削力信號(hào)圖，可以看出，施加超聲振動(dòng)后，切削力在各方向的分量的最大值基本保持穩(wěn)定，但卻呈現(xiàn)出高頻的振蕩波動(dòng)特性，這與東北大學(xué)倪陳兵等學(xué)者研究的成果相似。這是因?yàn)榈毒叱曊駝?dòng)后，刀具所走的路線不再是直線，而是正弦曲線，工件與刀具呈現(xiàn)高頻次的接觸和分離，接觸切削時(shí)切削力會(huì)迅速增大，分離時(shí)切削力又急劇下降。在振幅較小時(shí)，刀具與工件分離的過(guò)程不太明顯，切削力的降幅較小。而隨著振幅的增大，分離現(xiàn)象也越來(lái)越明顯，切削力的降幅也越大，在刀具與工件分離階段切削力降低至越接近于0。

圖3 不同振幅作用下的切削力信號(hào)

2.2 超聲振動(dòng)頻率對(duì)切削力影響的仿真

為研究超聲振動(dòng)頻率對(duì)切削力的影響，設(shè)置不同的切削仿真參數(shù)，只改變超聲振動(dòng)的頻率，切削仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

圖4 所示為不同振動(dòng)頻率下的切削力信號(hào)圖。施加超聲振動(dòng)后，切削力的最大值幾乎沒(méi)有改變，隨著頻率從20 kHz 提高到35 kHz，切削力在單位時(shí)間內(nèi)驟降的次數(shù)增大，主要是因?yàn)樘岣吡说毒吲c工件接觸和分離的頻次。

3 超聲振動(dòng)輔助銑削試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料選用GH4738 型鎳基高溫合金。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)HKUSM35-20、VMC850立式數(shù)控銑床、Kistler9257B 型三向測(cè)力系統(tǒng)、白光干涉儀。刀具采用?8 mm 四刃立銑刀，銑削方式采用順銑，其銑削力實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示。試驗(yàn)時(shí)，將三向測(cè)力儀安裝固定在機(jī)床工作臺(tái)上，銑削過(guò)程中通過(guò)電荷放大器將銑削力信號(hào)放大并輸送到計(jì)算機(jī)，由專用軟件對(duì)銑削力進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。設(shè)備正常工作時(shí)，振動(dòng)頻率保持恒定，振動(dòng)的振幅與所輸出的電流呈一定的線性關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備輸出的電流控制超聲振動(dòng)的振幅。

圖5 超聲振動(dòng)輔助銑削力試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將采集到的3 個(gè)方向的銑削力信號(hào)輸出，繪制銑削力隨時(shí)間變化的曲線，如圖6 所示。

圖6 銑削力信號(hào)對(duì)比圖

從圖6 的具體數(shù)據(jù)中，選取銑削力的極大值求平均后可得：普通銑削力的Fx極大值的平均值為9.77 N，超聲振動(dòng)輔助銑削力的Fx極大值的平均值為5.31 N，相對(duì)于普通銑削降低了45.6%；普通銑削力的Fy極大值的平均值為16.25 N，超聲振動(dòng)輔助銑削力的Fy極大值的平均值為13.38 N，相對(duì)于普通銑削降低了17.7%；普通銑削力的Fz極大值的平均值為6.45 N，超聲振動(dòng)輔助銑削力的Fz極大值的平均值為8.63 N，相對(duì)于普通銑削增加了25.3%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果相似，誤差在1%以內(nèi)，這是試驗(yàn)環(huán)境及加工誤差引起的。由以上分析可知，對(duì)銑刀施加超聲振動(dòng)后，銑削力x和y方向上無(wú)論是極大值的平均值還是波動(dòng)范圍都有一定的減小，z方向的銑削力的波動(dòng)范圍較小，但總銑削力還是明顯地降低。

綜上所述，超聲振動(dòng)的輔助作用可降低銑削加工過(guò)程中的最大銑削力和銑削力的波動(dòng)范圍，改善銑削環(huán)境，降低加工誤差，使得切削更為穩(wěn)定，提高銑削加工的穩(wěn)定性。

4 超聲振動(dòng)輔助表面粗糙度試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用TaylorSurfCCI2000 白光干涉儀來(lái)檢測(cè)銑削后的表面形貌，在加工區(qū)域選擇5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量區(qū)域?yàn)?00 μm×800 μm，取5 個(gè)測(cè)點(diǎn)值的算術(shù)平均值得到每個(gè)加工表面的粗糙度值。分別采用線粗糙度評(píng)定法和面粗糙度評(píng)定法對(duì)加工工件表面的粗糙度進(jìn)行綜合評(píng)判，選取的評(píng)判參數(shù)分別為線粗糙度表征參數(shù)Ra、Rz。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7 所示為其他加工參數(shù)不變的條件下，不同超聲電流情況下的銑削三維表面形貌。由圖7a 可知，在普通銑削時(shí)，表面形貌的銑削耕犁劃痕邊界清晰，表面凸起尖銳，產(chǎn)生較深的溝槽痕跡，相鄰切削痕跡互不干涉。而施加超聲振動(dòng)輔助后，表面形貌較為圓潤(rùn)，相鄰切削痕跡過(guò)渡平滑，這是由于施加軸向超聲振動(dòng)后，刀具的切削軌跡干涉作用去除了一部分普通銑削無(wú)法去除的工件材料，將普通銑削表面連續(xù)的耕犁隆起切割為斷續(xù)隆起，降低了軸向的殘留高度，進(jìn)而有助于改善表面質(zhì)量。

圖7 不同的超聲電流下的銑削三維表面形貌

圖8 所示為超聲電流對(duì)Ra、Rz 的影響規(guī)律，可以看出電流為0 即普通銑削時(shí)，Ra、Rz 均比超聲輔助銑削的大，隨著超聲電流的增大，Ra、Rz表面質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)均有降低的趨勢(shì)。Ra 由1.064 μm降低到0.640 4 μm，降低幅度最大達(dá)39.9%；Rz 由0.211 μm 降低到0.138 μm，降低幅度最大達(dá)34.6%；表面質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)的變化說(shuō)明超聲振動(dòng)輔助能夠提高加工表面質(zhì)量。

圖8 超聲電流對(duì)Ra、Rz 的影響規(guī)律

5 結(jié)語(yǔ)

（1）超聲振動(dòng)輔助銑削技術(shù)能夠降低加工鎳基高溫合金過(guò)程中的銑削力，F(xiàn)x、Fy方向分別降低45.6%和17.7%，是因?yàn)樵谇邢魉俣葀c<2πAf時(shí)，切削速度小于最大振動(dòng)速度，切削刃與工件之間存在速度差，刀具與工件瞬時(shí)分離過(guò)程，工件應(yīng)力場(chǎng)也瞬間減小，將持續(xù)的擠壓變形切削轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇高頻的擠壓變形切削。振動(dòng)的振幅越大，頻率越高，分離的頻次也越快，分離特性就越明顯，從而達(dá)到降低切削力的效果。

（2）超聲振動(dòng)輔助銑削技術(shù)能夠降低加工鎳基高溫合金過(guò)程中的表面粗糙度，Ra 降低幅度達(dá)39.9%；Rz 降低幅度達(dá)34.6%，是因?yàn)槭┘虞S向超聲振動(dòng)后，刀具的切削軌跡干涉作用去除了一部分普通銑削無(wú)法去除的工件材料，將普通銑削表面連續(xù)的耕犁隆起切割為斷續(xù)隆起，降低了軸向的殘留高度，進(jìn)而有助于改善表面質(zhì)量。