鄭華強(qiáng)，徐英帥，張杰，王蓉艷，裴遠(yuǎn)俊

(東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西南昌330013)

0 前言

隨著一些難加工材料在汽車工程、航天航空和國防軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用需求日益增加，原有的加工方式已無法滿足其對(duì)于切削質(zhì)量、加工精度以及效率的需求[1]。而超聲加工技術(shù)在提高表面質(zhì)量、加工精度與延長刀具工作壽命等方面具有顯著優(yōu)勢。超聲加工專用設(shè)備雖然已經(jīng)在國內(nèi)外生產(chǎn)制造，但由于其應(yīng)用范圍窄且制造加工成本高，難以普及推廣。

針對(duì)以上問題，作者自行設(shè)計(jì)了縱扭超聲振動(dòng)車削加工系統(tǒng)并且安裝在C616普通車床上，用來滿足實(shí)際超聲加工的需求。并且，將兩種難加工材料(420馬氏體不銹鋼與Ti-6Al-4V鈦合金)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了縱扭超聲加工對(duì)表面粗糙度、刀具磨損、表面形貌以及切屑形態(tài)產(chǎn)生的影響。

1 縱扭超聲振動(dòng)車削加工系統(tǒng)

超聲振動(dòng)車削是指在切削過程中，對(duì)工件或者刀具施加連續(xù)的高頻率微小振幅的振動(dòng)，可以改變刀具、工件、切屑三者之間的接觸形式，實(shí)現(xiàn)完全分離式車削加工，進(jìn)而達(dá)到降低切削力、提高表面質(zhì)量和延長刀具工作壽命的功能。依據(jù)施加振動(dòng)的方向，超聲振動(dòng)車削分為：橫向超聲振動(dòng)車削、縱向超聲振動(dòng)車削、進(jìn)給超聲振動(dòng)車削和復(fù)合超聲振動(dòng)車削[2]。實(shí)驗(yàn)使用的縱扭振動(dòng)車削屬于復(fù)合超聲振動(dòng)車削的一種。

1.1 模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲復(fù)合變幅桿的設(shè)計(jì)

縱扭超聲振動(dòng)主要是通過換能器或者變幅桿來實(shí)現(xiàn)的。由于換能器中扭轉(zhuǎn)振動(dòng)壓電陶瓷的制造工藝較為復(fù)雜，并且加工成本比較高，針對(duì)這一問題，實(shí)驗(yàn)使用模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲復(fù)合變幅桿。它由高頻變幅桿與模態(tài)轉(zhuǎn)換器所組成。模態(tài)轉(zhuǎn)換器的工作原理是：當(dāng)變幅桿上的高頻縱向振動(dòng)傳遞到螺紋槽時(shí)，會(huì)產(chǎn)生切向振動(dòng)分量，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最后傳遞到刀尖上[3]。模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲復(fù)合變幅桿的整體外形如圖1所示。

圖1 模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲復(fù)合變幅桿的整體外形

在Abaqus中對(duì)所設(shè)計(jì)的模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲復(fù)合變幅桿進(jìn)行了仿真分析。有限元模型和模態(tài)分析圖如圖2所示?？梢钥闯觯涸诘?2階模態(tài)時(shí)，變幅桿沒有產(chǎn)生明顯變形，且其共振頻率為20 198 Hz，接近理論值20 kHz，誤差為0.99%。

圖2 模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲復(fù)合變幅桿的模態(tài)分析結(jié)果

1.2 縱扭超聲振動(dòng)車削加工系統(tǒng)的裝配

縱扭超聲振動(dòng)車削加工系統(tǒng)主要由縱扭超聲振動(dòng)系統(tǒng)、C616普通車床及測量系統(tǒng)組成[4]?？v扭超聲振動(dòng)系統(tǒng)是其中的核心部分，它主要包括超聲波發(fā)生器、超聲換能器、模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲復(fù)合變幅桿、刀具等。

設(shè)計(jì)了縱扭超聲振動(dòng)車削加工系統(tǒng)，并將其安裝在C616普通車床上，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在C616普通車床上進(jìn)行，采用直徑為25 mm、長度為400 mm的圓軸類工件，工件材料分別為：420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金。

針對(duì)420馬氏體不銹鋼工件與 Ti-6Al-4V鈦合金工件的難加工性[5]，分別選用YBM251CCMT120404-HM型硬質(zhì)合金刀片和YBG202CCMT120404-EF型硬質(zhì)合金刀片。

實(shí)驗(yàn)的測量儀器主要有：SRM系列表面粗糙度測量儀與L100/100BD工業(yè)檢測顯微鏡。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)縱扭超聲車削的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)頻率固定在20 kHz不變，其余的主要切削工藝參數(shù)如表1所示。

表1 切削工藝參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表面粗糙度

在C616普通車床上對(duì)420馬氏體不銹鋼與 Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，二維表面粗糙度Ra用SRM系列表面粗糙度測量儀進(jìn)行檢測，每次實(shí)驗(yàn)檢測5次，除掉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)內(nèi)的最大值與最小值，取平均值，得到表面粗糙度。

為了研究切削速度對(duì)加工工件表面粗糙度的影響，取工藝參數(shù)為：切削深度ap=0.2 mm，進(jìn)給量f=0.1 mm/r，對(duì)兩種難加工材料進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，得到兩種被加工材料的表面粗糙度Ra隨切削速度變化的折線如圖4所示。圖中CT表示普通車削，UAT表示縱扭超聲車削。

圖4 表面粗糙度隨切削速度變化的折線Fig.4 Surface roughness changed with cutting speed

由圖4容易看出：對(duì)于420馬氏體不銹鋼，普通車削的表面粗糙度隨切削速度的變大而減少，縱扭超聲車削的表面粗糙度隨切削速度的變大表現(xiàn)為先減小后變大的趨勢，在切削速度vc為63 m/min時(shí)，縱扭超聲切削得到的表面粗糙度基本上和普通切削相同；而對(duì)于Ti-6Al-4V鈦合金，普通車削的表面粗糙度和縱扭超聲車削的表面粗糙度整體上都有隨切削速度的變大而變大的趨勢，總體而言，縱扭超聲車削獲得的表面粗糙度要好于普通車削。

由于Ti-6Al-4V鈦合金相比于420馬氏體不銹鋼的加工硬化程度更低，所以在普通車削中Ti-6Al-4V鈦合金車削獲得的表面粗糙度好于420馬氏體不銹鋼，而在縱扭超聲車削中兩者的表面粗糙度相差不大，這是因?yàn)榭v扭超聲車削改變了刀具與工件的接觸方式[6]，降低了在車削過程中加工硬化的影響。

注意到在縱扭超聲車削中，420馬氏體不銹鋼比較好的切削速度vc是35 m/min，Ti-6Al-4V鈦合金比較好的切削速度vc是16 m/min，這說明縱扭超聲切削比較適合中低速切削。為了研究切削深度對(duì)加工工件的表面粗糙度影響，取420馬氏體不銹鋼的加工工藝參數(shù)為：切削速度vc=35 m/min，進(jìn)給量f=0.1 mm/r；取Ti-6Al-4V鈦合金的加工工藝參數(shù)為：切削速度vc=16 m/min，進(jìn)給量f=0.1 mm/r。對(duì)兩種難加工材料進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，得到兩種被加工材料的表面粗糙度Ra隨切削深度變化的折線如圖5所示。

由圖5容易看出：對(duì)于420馬氏體不銹鋼和Ti-6Al-4V鈦合金，普通車削的表面粗糙度與縱扭超聲車削的表面粗糙度整體上都有隨切削深度的變大而變大的趨勢?？傮w而言，縱扭超聲車削獲得的表面粗糙度要好于普通車削。

在車削過程中，切削深度和面積會(huì)增大，導(dǎo)致車削過程中摩擦和變形力也會(huì)增大，并且切削深度過大還有可能產(chǎn)生積屑瘤，這就是表面粗糙度隨切削深度變大而變大的主要原因。工件表面粗糙度增加的另一個(gè)原因就是：切削深度過大，有可能使工件表面變形[7]，進(jìn)而使得表面粗糙度變大。通過加入超聲振動(dòng)于車削過程，能削弱上面一系列負(fù)面情況，從而得到更好的表面粗糙度。

圖5 表面粗糙度隨切削深度變化的折線Fig.5 Surface roughness changed with cutting depth

注意到在縱扭超聲車削中，420馬氏體不銹鋼和Ti-6Al-4V鈦合金的比較好的切削深度ap都是0.1 mm。取420馬氏體不銹鋼的加工工藝參數(shù)為：切削速度vc=16 m/min，切削深度ap=0.1 mm；取Ti-6Al-4V鈦合金的加工工藝參數(shù)為：切削速度vc=16 m/min，切削深度ap=0.1 mm。對(duì)兩種難加工材料進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，得到兩種被加工材料的表面粗糙度Ra隨進(jìn)給量變化的折線如圖6所示。

圖6 表面粗糙度隨進(jìn)給量變化的折線Fig.6 Surface roughness changed with feed rate

由圖6容易看出：對(duì)于420馬氏體不銹鋼，普通車削和縱扭超聲車削的表面粗糙度隨進(jìn)給量的變大而變大；而對(duì)于Ti-6Al-4V鈦合金，普通車削和縱扭超聲車削的表面粗糙度隨切削速度的增大呈現(xiàn)先減少后變大的趨勢，并且在整體上縱扭超聲車削獲得的表面粗糙度要好于普通車削。注意到在縱扭超聲車削中，420馬氏體不銹鋼比較好的進(jìn)給量f是0.07 mm/r，Ti-6Al-4V鈦合金比較好的進(jìn)給量f是0.12 mm/r。

在車削過程中，隨著進(jìn)給量的增加，比較容易使形成的切屑變寬，而較寬的切屑不容易自動(dòng)排出，且容易劃傷加工工件的表面，破壞加工質(zhì)量，所以在實(shí)際加工中應(yīng)采用相對(duì)較低的進(jìn)給量來確保加工質(zhì)量足夠好[8]。

最后，為了得到420馬氏體不銹鋼與Ti-6Al-4V鈦合金縱扭超聲振動(dòng)車削降低表面粗糙度的水平，利用EXCEL對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 降低的表面粗糙度水平

3.2 表面形貌

在相同工藝參數(shù)條件下，分別對(duì)420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，再用L100/100BD工業(yè)檢測顯微鏡對(duì)其表面形貌進(jìn)行檢測。表面形貌的光學(xué)圖像如圖7所示。

圖7 兩種材料的表面形貌

從圖7中能夠觀察到縱扭超聲振動(dòng)切削形成的表面形貌和普通切削形成的有明顯差異，縱扭超聲振動(dòng)切削形成的表面形貌產(chǎn)生了如同波紋的振痕，并且其表面振痕的總體分布與大小相對(duì)均勻，且沒有形成缺陷。由于Ti-6Al-4V鈦合金比420馬氏體不銹鋼的強(qiáng)度以及硬度更高，所以其表面振痕相比后者來說不是十分明顯。而普通切削形成的表面形貌有一段一段的溝槽，整體分布與大小不一致，并且存在著一些局部缺陷。

由于在切削過程中加了超聲振動(dòng)，從而使縱扭超聲振動(dòng)切削形成的表面形貌明顯好于普通切削。借助于超聲振動(dòng)，讓刀具和工件的接觸形式由連續(xù)接觸變成斷續(xù)接觸的形式，這可以明顯減少兩者接觸時(shí)表面塑性變形和摩擦[9]，進(jìn)而使得縱扭超聲振動(dòng)切削形成的表面形貌更好。

3.3 刀具磨損

為了研究縱扭超聲振動(dòng)對(duì)刀具磨損產(chǎn)生的影響，通過L100/100BD工業(yè)檢測顯微鏡查看車削420馬氏體不銹鋼的刀具的前刀面和主后刀面的磨損情況，如圖8所示。

從圖8能夠觀察到普通車削中前刀面和主后刀面的刀具磨損相比于縱扭超聲切削更加明顯，且伴隨著較大的變形溝槽與一些黏結(jié)物；而縱扭超聲振動(dòng)車削中前刀面和主后刀面的刀具磨損得到顯著改善，變形溝槽也沒有普通車削形成的那么大。原因之一就是借助超聲振動(dòng)，車削過程中刀具更容易與工件分離，這不但可以減輕工件與刀具之間的摩擦，而且在車削區(qū)域積累的熱量更容易散去，來產(chǎn)生減少刀具磨損的效果[10]。

3.4 切屑形態(tài)

切屑形態(tài)對(duì)加工表面質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生較大的影響，分析切屑的宏觀形貌對(duì)提高加工表面質(zhì)量具有十分重要的意義。在車削Ti-6Al-4V鈦合金的實(shí)驗(yàn)中選出一組具有代表性的工藝參數(shù)下的切屑，分析其宏觀形貌，如圖9所示。能夠觀察到，縱扭超聲車削取得的切屑更好，它是螺旋卷屑，在加工時(shí)比較容易自動(dòng)斷屑，不讓切屑纏繞在工件表面上，從而提高加工質(zhì)量;而普通車削取得的切屑比較雜亂，在加工時(shí)它很容易卷在工件上，從而把工件表面拉毛，影響加工質(zhì)量。

圖9 兩種車削方式的切屑宏觀圖

4 結(jié)論

(1)適當(dāng)選擇工藝參數(shù)，縱扭超聲車削420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金能獲得比普通車削更好的表面粗糙度，420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金都比較適合中低速、低切削深度和低進(jìn)給量的超聲車削，但相比之下Ti-6Al-4V鈦合金適合更低的切削速度與切削深度，420馬氏體不銹鋼適合更低的進(jìn)給量。

(2)普通車削和縱扭超聲車削的420馬氏體不銹鋼和 Ti-6Al-4V鈦合金的表面形貌有明顯差別：在普通車削中，兩者的表面形貌都容易形成溝槽、劃痕等其他局部缺陷；而在縱扭超聲車削中，這些缺點(diǎn)得到了明顯改善，縱扭超聲車削的表面形貌產(chǎn)生了均勻的振痕，表面形貌無明顯缺陷，這就是超聲振動(dòng)的輔助作用。

(3)對(duì)比分析普通車削和縱扭超聲車削420馬氏體不銹鋼中的前刀面和主后刀面的刀具磨損，發(fā)現(xiàn)普通車削的刀具磨損更為嚴(yán)重，且伴隨著較大的變形溝槽和一些黏結(jié)物，相比之下縱扭超聲車削的刀具磨損程度得到了明顯的降低，無明顯的大變形溝槽，這可以增加刀具的工作壽命，減輕車削加工成本。

(4)使用縱扭超聲車削Ti-6Al-4V鈦合金形成的切屑相比于普通車削形成的切屑更加平整均勻，不像普通車削的切屑那么雜亂，而是一段一段的螺旋卷屑，它在加工時(shí)比較容易自動(dòng)斷屑，這說明縱扭超聲切削能夠得到更好的加工質(zhì)量。