超聲振動超精密車削Ti6Al4V 的表面質(zhì)量研究

李東煒， 梁忠偉， 孔早慧

（1.廣州大學機械與電氣工程學院， 廣東廣州 510006； 2.香港理工大學機械工程學系， 香港 999077）

0 前言

Ti6Al4V 是一種α＋β 型鈦合金， 具有較高的比強度、 良好的熱穩(wěn)定性和較好的焊接性， 廣泛應用于航空航天［1－2］； 同時它具有良好的耐腐蝕性和生物相容性， 因此通常被選作生物醫(yī)學領域中的移植材料［3］。但Ti6Al4V 導熱率低、 化學活性高、 彈性模量小、 屈強比大， 在超精密加工中會出現(xiàn)切削區(qū)域散熱差、 加工表面材料彈性回復明顯、 刀具磨損嚴重等現(xiàn)象， 極大地降低了工件表面加工后的質(zhì)量， 因此制約了鈦合金材料在精密產(chǎn)品上的推廣和應用［4－5］。

對刀具施加振幅為微米級的超聲振動， 可以實現(xiàn)刀具和工件在切削過程中的周期性分離［6－8］， 有效降低切削力、 減小刀具磨損和提高工件表面質(zhì)量［9－12］。胡智特等［13－14］采用AdvantEdge 軟件進行超聲振動切削TC4 鈦合金的仿真， 分析了切削參數(shù)對切削力和切削溫度的影響。 高雄偉、 林述溫［15］針對鈦合金切削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律進行了分析和正交切削仿真， 為試驗加工奠定了基礎。

以上研究主要集中在一般加工和精密加工下的超聲振動輔助切削鈦合金， 而針對超精密鈦合金切削的研究較少。 本文作者設計一維超聲振動超精密車削Ti6Al4V 鈦合金的正交試驗， 研究其切削加工效果，分析切削速度、 進給速度、 切削深度和刀具振幅對切削力和表面粗糙度的影響。

1 車削試驗條件和方案設計

此次試驗平臺如圖1 所示。 采用350FG 摩爾Nanotech4 軸機床進行加工， 采用Son?x 公司的UTS one 設備使刀具產(chǎn)生超聲振動。 UTS one 能夠產(chǎn)生頻率為80 kHz、 振幅為0～2 μm 的超聲振動。 超聲振動車削示意如圖2 所示。 刀具安裝在UTS one 的頂端，沿著切削方向振動。

圖1 超聲振動車削鈦合金試驗現(xiàn)場Fig.1 Test site of ultrasonic vibration turning titanium alloy

圖2 超聲振動車削示意Fig.2 Schematic of ultrasonic vibration turning

刀具材料為單晶金剛石， 前角為0°， 后角為12.5°， 刀尖圓弧半徑為1 mm。 試樣材料為Ti6Al4V，形狀為圓柱體， 直徑為4 mm。 試驗條件如表1 所示。

表1 試驗條件Tab.1 Test conditions

采用四因素三水平方案進行正交試驗， 試驗因素為切削速度v、 切削深度ap、 進給速度f和刀具振幅A，因素水平方案如表2 所示， 一共做9 組正交試驗， 具體安排如表3 所示。 以切削力、 表面粗糙度Ra為評價指標。 采用Zygo 的Nexview 8050 白光干涉掃描輪廓儀測量表面粗糙度， 采用Kistler 9256B 三相測力儀測量3個方向的力、 分別是沿切削方向的切削力、 沿進給方向的走刀力、 沿切削深度方向的吃刀力。

表2 因素水平方案Tab.2 Factor level scheme

表3 正交試驗Tab.3 Orthogonal test

2 試驗結(jié)果分析

極差分析法簡單直觀， 對正交試驗的結(jié)果進行極差分析， 用極差R分析各因素對結(jié)果的影響程度，R值越大， 相應因素對目標參數(shù)的影響就越大， 此因素越重要。

R＝max（k1，k2，k3，…，ki）－min（k1，k2，k3，…，ki）

式中：ki為第i水平對應指標總和（Ki） 的平均值， 即ki＝Ki/r， 其中r為任一列同一水平出現(xiàn)的次數(shù)。 此試驗為三水平試驗， 所以r值為3。

2.1 各因素對粗糙度的影響

首先以加工后表面粗糙度值為考核指標進行極差分析， 結(jié)果如表4 所示。

表4 以表面粗糙度為目標的極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis results with cutting force as the target

由表3 可以看出： 極差值R從大到小依次為33、15、 14、 10， 所對應的影響因素分別為切削速度、 切削深度、 振動幅度、 進給速度。 因此刀具的切削速度對超聲振動車削Ti6Al4V 的表面粗糙度值影響最大，其次為切削深度和振動幅度， 最后為進給速度。

根據(jù)表4 中每個因素第1、 第2、 第3 水平對應的總平均值k1、k2、k3， 得到各影響因素與超聲振動車削加工表面粗糙度的關系。 其中的規(guī)律如下： 切削速度越快， 切削深度越深， 加工后表面粗糙度值越大， 加工表面質(zhì)量越差， 切削速度和切削深度均與加工后表面粗糙度值呈正相關關系； 進給速度與加工后表面粗糙度值之間先呈負相關關系， 后呈正相關關系， 存在最優(yōu)進給速度； 刀具振幅與加工后表面粗糙度值之間先呈正相關關系， 后呈負相關關系。 在4 種影響因素中， 切削速度對加工后材料的表面粗糙度值即表面質(zhì)量影響最大， 且為正相關， 因此， 在超聲振動車削Ti6Al4V 時， 在不影響加工進度的前提下， 應使用較小的切削速度。

2.2 各因素對切削力的影響

以主切削力、 進給抗力、 切深抗力為考核指標進行極差分析， 結(jié)果如表5 所示。

表5 以切削力為目標的極差分析結(jié)果Tab.5 Range analysis results with cutting force as the target

由表5 可以看出： 對于主切削力、 進給抗力、 切深抗力3 個指標， 極差值R的影響次序均為切削速度＞切削深度≈刀具振幅＞進給速度， 和對表面粗糙度的極差分析結(jié)果基本接近， 也是切削速度影響最大， 切削深度和刀具振幅影響居中， 進給速度對3 個切削力的影響最小。

通過對切削力的極差分析， 也可得到各影響因素與主切削力、 進給抗力和切深抗力的關系。 如圖3 （a）所示， 隨著切削速度的增加， 切削力的3 個分量不斷增大， 這是由于切削速度的增加使振動切削過程中刀具和工件之間的分離特性逐漸減弱， 越來越趨向于普通切削的狀態(tài)， 切削力增加， 切削后工件表面質(zhì)量變差。

圖3 各參數(shù)對切削力的影響Fig.3 Impact of different parameters on cutting force： （a）cutting speed； （b） cutting depth； （c） feed rate；（d） tool amplitude

從圖3 （b） （c） 可以看出： 切削深度和進給速度的增加同樣也使得切削力不斷增大， 但是其增長幅度相比切削速度小， 尤其是進給速度對切削力的影響小。 通過方差分析可得在顯著性水平α＝0.05 時， 進給速度對切削力沒有顯著影響。

從圖3 （d） 可以看出： 刀具振幅對切削力的影響呈負相關關系。 其原因是在固定振動頻率下， 隨著刀具振幅的增加， 刀具與工件之間的分離特性更加明顯， 這樣就會減少刀具與工件接觸的時間， 從而降低切削力。 但是刀具振幅與工件表面粗糙度不是單純呈現(xiàn)負相關關系， 在第2 檔水平的振幅下， 工件表面粗糙度反而增加。

3 切屑幾何形貌觀察

超精密切削產(chǎn)生的切屑非常微小， 觀察切屑幾何形貌有助于加深對超聲振動超精密切削鈦合金的認識和理解。 此試驗中使用日立公司TM3000 掃描電鏡（SEM） 對切屑進行觀察。

圖4 所示為9 組正交試驗產(chǎn)生的切屑， 由前述可知： 對切削力和表面粗糙度影響最大的是切削速度，以切削速度為變量將切屑圖分成3 組， 從圖4 （a）可以看出： 當切削速度為3 m/min 時， 切屑形態(tài)仍為帶狀切屑， 且表面形貌較光滑平整。 當切削速度為4 m/min 時， 從圖4 （b1） 可以看出在低切削深度和高刀具振幅的組合下， 切屑仍為帶狀切屑， 且切屑表面形貌較平整； 如圖4 （b2） 所示， 當切削深度增加、刀具振幅減小時， 切屑兩端出現(xiàn)規(guī)律性的鋸齒， 說明振動切削理論上的優(yōu)勢被切削深度破壞了。

圖4 切屑形貌Fig.4 Chip morphology： （a） v＝3 m/min； （b） v＝4 m/min； （c） v＝5 m/min

當切削速度增加到5 m/min 時， 如圖4 （c） 所示， 切屑呈散裂狀， 已經(jīng)無法形成帶狀切屑， 圖4 （c3）的切屑在中間部位已經(jīng)出現(xiàn)裂紋， 這種形態(tài)的切屑會極大地增加工件的加工表面粗糙度。

振動切削的臨界切削速度vmax如式（1） 所示：

vmax＝2πfA（1）

式中：f為刀具振動頻率；A為刀具振動幅度。

將刀具振動頻率80 kHz， 刀具振幅1.25、 1.5、1.75 μm 分別代入式（1） 中可得臨界切削速度分別為： 37.7、 45.2、 52.8 m/min。

而試驗中的切削速度分別為3、 4、 5 m/min， 遠遠小于臨界切削速度， 但是當切削速度達到5 m/min時， 切屑的形態(tài)已經(jīng)開始出現(xiàn)很明顯的惡化， 說明在超精密切削鈦合金的情況下， 即使切削速度遠遠小于振動輔助切削的臨界切削速度， 也有其他原因使切削過程惡化， 降低加工質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1） 對于Ti6Al4V 的超聲振動超精密車削加工，影響表面粗糙度的因素主要是切削速度， 其次為切削深度和刀具振幅， 最后為進給速度。 隨著切削速度和切削深度的提高， 表面粗糙度也會增加， 表面質(zhì)量惡化。 刀具振幅和表面粗糙度并不是簡單呈負相關關系， 但是整體來看， 隨著刀具振幅的提高， 表面粗糙度下降。

（2） 對超精密加工， 影響切削力的因素也主要是切削速度， 其次為切削深度和刀具振幅， 進給速度對切削力無顯著影響。 切削速度和切削深度對切削力的影響都呈正相關關系； 而隨著刀具振幅的提高， 切削力下降。

（3） 隨著切削速度的增加， 切屑從帶狀切屑變成兩側(cè)呈規(guī)律性鋸齒狀的帶狀切屑， 進而發(fā)展成散裂狀并且中間出現(xiàn)裂紋的切屑， 在刀具振幅下降的過程中， 以上現(xiàn)象更為明顯。

（4） 在超聲振動超精密車削鈦合金過程中， 即使切削速度遠低于傳統(tǒng)公式中計算出來的臨界切削速度， 切屑也會從帶狀切屑變成散裂狀， 并且隨著刀具振幅的減小， 切屑會在中間出現(xiàn)裂紋， 使得切削力提高， 增加工件加工表面的粗糙度。