蘭 天，馮平法，張建富，張翔宇，王健健

（清華大學(xué)機械工程系，北京 100084）

鈦合金是“輕質(zhì)、高強度、耐熱”材料的典型代表，在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 其中，最具代表性的應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天領(lǐng)域，如用于制造飛機發(fā)動機的風(fēng)扇葉片、壓縮機的葉片、葉輪、飛機外殼和飛機機翼等[1-4]。 然而，航空航天領(lǐng)域?qū)α慵庸ぞ燃捌浔砻尜|(zhì)量的高要求，決定了人們需要采用更高精度的加工方法來加工鈦合金材料[5-7]。

由于鈦合金存在高彈性、高粘性、高硬度和低導(dǎo)熱性等特性， 在傳統(tǒng)機械加工中會出現(xiàn)刀具磨損、加工表面易燒傷、加工過程切削力大等一系列問題，不利于鈦合金的高效精密加工[8-10]。 旋轉(zhuǎn)超聲加工在難加工材料領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，可在傳統(tǒng)機械加工基礎(chǔ)上通過對刀具頭施加超聲頻率的振動，實現(xiàn)加工過程中的斷續(xù)接觸，降低加工時的切削力和減小加工時產(chǎn)生的切削熱， 以提高加工效果，進而實現(xiàn)對難加工材料的高精度加工[11-13]。

在金屬加工領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)已體現(xiàn)出優(yōu)勢。 例如，有研究人員采用旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)加工鈦合金，提高了鈦合金的加工效果[14]，或降低了加工過程中的切削力并提高加工后的鈦合金表面質(zhì)量[15-17]。 但是對于旋轉(zhuǎn)超聲加工后的工件表面粗糙度值是增大或減小的問題，存在不同研究結(jié)果[18-19]。為此，研究者需進一步探究超聲加工對表面粗糙度的影響機制。

此外，現(xiàn)有超聲輔助銑削鈦合金研究中所用超聲裝置通常不具有頻率跟蹤或振幅穩(wěn)定控制裝置，對加工過程中振幅穩(wěn)定性影響加工效果的方面缺乏探究，限制了超聲加工裝置在鈦合金銑削中的進一步應(yīng)用。 本文分別開展了側(cè)面銑削和端面銑削的驗證實驗，研究了不同形式旋轉(zhuǎn)超聲加工對加工效果的影響，對比探究了普通加工、無調(diào)控超聲和有振幅穩(wěn)定控制的超聲三種情況對加工中的切削力、加工后的工件表面質(zhì)量及微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 實驗方案

1.1 實驗原理

旋轉(zhuǎn)超聲加工是一種在常規(guī)旋轉(zhuǎn)銑削基礎(chǔ)上，通過對刀具頭施加超聲頻率振動來提高加工性能的技術(shù)。 鈦合金旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工原理見圖1。

圖1 鈦合金旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工示意圖

在超聲加工中，刀具運動為旋轉(zhuǎn)運動、進給運動與超聲振動的疊加，刀具在實際加工中的切削速度增加，加工表面被刀具反復(fù)犁削，提高了加工效果；同時，加工過程中的超聲振動作用會使刀具和工件之間產(chǎn)生間歇性的接觸效應(yīng)，減少了接觸時間以及加工過程中的切削力和切削熱；此外，刀具的振動使切削液更易流入刀具和工件接觸的表面，能充分發(fā)揮切削液的冷卻和潤滑作用。 因此，使用超聲銑削加工鈦合金可降低切削力和銑削熱，并改變工件的表面微觀形貌。

1.2 實驗裝備與設(shè)備

基于自主開發(fā)的超磁致伸縮旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)，本研究分別開展側(cè)面銑削和端面銑削實驗。 實驗時， 將該超聲加工系統(tǒng)安裝在VMCL-1100 型三軸數(shù)控銑床上，并采用直徑為6 mm、長度為50 mm的銑刀來研究相關(guān)工藝特性。 實驗平臺與旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)見圖2。

圖2 實驗平臺和加工平臺

實驗采用ST210-S4 標準銑刀， 該刀具在側(cè)面銑削時的推薦切削速度不大于60 m/min，在端面銑削時的推薦切削速度不大于40 m/min，并在加工時通過切削液進行冷卻； 采用尺寸為80 mm×40 mm×15 mm 的長方體鈦合金為工件，并將該工件以螺栓固定的方式安裝于Kistler 9256C2 測力儀上， 通過測力儀測量其加工過程中的切削力； 實驗完成后，使用馬爾手持式表面粗糙度測量儀對工件表面粗糙度進行測量，并統(tǒng)計出加工過程穩(wěn)定后的工件表面粗糙度；之后，再使用光學(xué)顯微鏡分別觀測加工穩(wěn)定過程中和加工完成后的工件表面微觀形貌。 觀測時，將顯微鏡放大至400 倍，同時使用RX-100 軟件讀取觀測到的圖像。

由于本研究聚焦于驗證超聲輔助銑削對鈦合金加工的影響和有效性，而非探究各切削參數(shù)對鈦合金銑削加工效果的影響，選用正交實驗方法分別開展側(cè)面銑削和端面銑削實驗， 對比了普通加工、無調(diào)控超聲和有振幅穩(wěn)定控制超聲的加工區(qū)別。 在側(cè)面銑削和端面銑削正交實驗中，有超聲輔助時的空載振幅均為6 μm， 同時均探究了相同切削參數(shù)條件下不同超聲振幅對加工質(zhì)量的影響。

側(cè)面銑削正交實驗的工藝參數(shù)是：主軸轉(zhuǎn)速為2 500～3 500 r/min、 進給速度為200～300 mm/min、切削速度為47.1～65.9 m/min、 切削深度為20～80 μm。采用表1 所示9 組側(cè)面銑削正交實驗工藝參數(shù)開展無超聲的普通加工， 另有18 組實驗采用相同實驗參數(shù)，分別開展無調(diào)控超聲加工及有振幅穩(wěn)定控制的超聲加工。 對于相同切削參數(shù)下不同超聲振幅影響的實驗， 選用的主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、進給速度為300 mm/min、切削深度為50 μm，以及振幅（銑刀上的）分別為2、4、6、8、10、12 μm。

表1 側(cè)面銑削正交實驗序號及其工藝參數(shù)

端面銑削正交實驗的工藝參數(shù)是：主軸轉(zhuǎn)速為1 500～2 500 r/min、 進給速度為150～250 mm/min、切削速度為28.3～47.1 m/min、 切削深度為20～80 μm。采用表2 所示9 組端面銑削正交實驗工藝參數(shù)開展無超聲的普通加工， 另有18 組實驗采用相同工藝參數(shù)，分別開展無調(diào)控超聲加工及有振幅穩(wěn)定控制的超聲加工。 對于相同切削參數(shù)下不同超聲振幅的影響實驗， 選用的主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、進給速度為200 mm/min、切削深度為50 μm，以及振幅（銑刀上的）分別為2、4、6、8、10、12 μm。 需要注意的是，在端面銑削正交實驗過程中設(shè)置的銑削深度為機床控制的切削深度。

表2 端面銑削正交實驗序號及其工藝參數(shù)

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 對切削力的影響

在側(cè)面銑削和端面銑削過程中，采用振幅穩(wěn)定控制可實現(xiàn)最小的切削力。 對銑削加工實驗的結(jié)果進行分析，經(jīng)測量各實驗組得到的加工穩(wěn)定過程中的切削力見圖3。 從側(cè)面銑削和端面銑削的實驗結(jié)果均可看到，普通加工時的切削力最大，有振幅穩(wěn)定控制時能實現(xiàn)最小切削力，從而驗證了超聲加工能降低切削力。 需要注意的是，在端面銑削過程中，超聲加工減少切削力和超聲加工增加切削深度二者會共同作用，對于無振幅調(diào)控的超聲加工系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)的諧振頻率偏移，此時振幅降低，加工中切削深度的增加不穩(wěn)定，即加工實際切削深度不穩(wěn)定會影響系統(tǒng)加工精度， 尤其是當(dāng)切深較小時，該影響顯著，從而阻礙了超聲加工在精密制造領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。 而具有振幅穩(wěn)定控制的超聲加工系統(tǒng)，由于可穩(wěn)定控制振幅，提高了加工過程中的切削深度控制精度，進而提高加工精度，實現(xiàn)了更精密的加工。

圖3 正交實驗的切削力結(jié)果

增大超聲振幅，可降低切削力。 采用不同超聲振幅在不同工況條件下得到的切削力結(jié)果見圖4?？梢?，在側(cè)面銑削與端面銑削加工中，更大的超聲振幅帶來更小的切削力，這與超聲加工能提高切削速度、改善切削液的流入效果等有關(guān)。

圖4 超聲振幅影響切削力實驗結(jié)果

2.2 對表面粗糙度的影響

測量的工件表面粗糙度結(jié)果如圖5 所示，超聲在側(cè)面銑削與端面銑削加工中對工件表面粗糙度的影響不同。 在側(cè)面銑削加工時，超聲加工可減小工件表面粗糙度值，顯著提高表面質(zhì)量；有振幅穩(wěn)定控制的超聲加工，也對減小表面粗糙度起到促進作用。 在端面銑削時， 除序號10 對應(yīng)的實驗組之外，其他實驗組通過超聲輔助增大了加工后的工件表面粗糙度值，有振幅穩(wěn)定控制的超聲加工對此起到進一步增大的作用。 產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于，側(cè)面銑削對刀具和工件的剛性要求較高，但本研究所用刀柄的變幅桿懸長較長，在側(cè)面銑削時易發(fā)生顫振，導(dǎo)致普通加工的工件表面質(zhì)量較差，而采用旋轉(zhuǎn)超聲加工后，刀具在加工時的切削力因超聲振動作用而減小，使顫振減少，從而提高了表面質(zhì)量；在端面銑削時，刀具的受力情況發(fā)生變化，刀具不易顫振，使普通機械加工的工件表面質(zhì)量得到大幅提高。 在序號10 對應(yīng)的實驗中，加工過程的切削力較大（圖4），因此更易發(fā)生顫振等現(xiàn)象，此時使用超聲加工可減小切削力從而降低振動，也減小了加工后的工件表面粗糙度值。 此時使用超聲振動，雖然仍可降低切削力， 但是并不能起到減小顫振的效果，同時超聲振動會促使產(chǎn)生新的表面微織構(gòu)，從而增大加工后的工件表面粗糙度值。

在側(cè)面銑削時，提高超聲振幅可減小工件表面粗糙度值；在端面銑削時，提高超聲振幅會增加工件表面粗糙度值。 不同超聲振幅在端面銑削與側(cè)面銑削中影響表面質(zhì)量的結(jié)果見圖6?？煽吹?，在側(cè)面銑削時，較大的超聲振幅會帶來更小的表面粗糙度值，這與較大的振幅可更好地降低切削力、抑制加工過程中的振動有關(guān)；在端面銑削時，較大的超聲振幅會導(dǎo)致更大的表面粗糙度值，究其原因是更大的超聲振幅會導(dǎo)致形成尺寸更大的表面微結(jié)構(gòu)，對加工后的工件表面粗糙度產(chǎn)生影響。

圖6 超聲振幅影響表面粗糙度實驗結(jié)果

2.3 對表面微觀形貌的影響

分別觀測普通機械加工、無調(diào)控旋轉(zhuǎn)超聲加工以及有振幅穩(wěn)定控制的旋轉(zhuǎn)超聲加工的工件表面微觀形貌，結(jié)果見圖7 和圖8。 可見，在側(cè)面銑削的情況下，普通機械加工的工件表面會產(chǎn)生明顯振紋且出現(xiàn)了一定面積的燒傷； 采用超聲輔助加工后，工件的表面振紋有所減少且加工出的微結(jié)構(gòu)更加均勻、工件表面燒傷有所減少；采用振幅穩(wěn)定控制的超聲加工后， 工件的表面振紋與燒傷進一步改善，表面也產(chǎn)生了均勻的微結(jié)構(gòu)。 還可見，在端面銑削情況下， 普通機械加工的工件表面存在明顯劃痕；在無調(diào)控的超聲加工后，工件表面出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)且不再存在刀具銑削后的劃痕；在采用振幅穩(wěn)定控制的超聲加工之后，工件表面微結(jié)構(gòu)的均勻性進一步提高。

圖7 側(cè)面銑削加工后工件表面微觀形貌

圖8 端面銑削加工后工件表面微觀形貌

根據(jù)上述實驗和分析，在側(cè)面銑削和端面銑削過程中，較大的超聲振幅可降低加工過程中的切削力；在銑削過程中，在剛度較低的加工條件下，采用超聲加工可減小表面粗糙度值、提高加工后的表面質(zhì)量，在剛度較高的加工條件下，超聲加工會導(dǎo)致表面粗糙度值增大，同時會減小加工過程中的振紋與燒傷，提高加工后表面的均勻性。

3 結(jié)論

本文研究了使用超聲輔助銑削工藝加工鈦合金的有效性，分別在側(cè)面銑削，端面銑削的條件下開展正交實驗，探究了超聲加工對加工過程中的切削力，加工后的表面質(zhì)量與微觀形貌的影響，同時探究了超聲振幅的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在側(cè)面銑削及端面銑削過程中，在不同的進給速度、主軸轉(zhuǎn)速和切削深度條件下，采用超聲加工可降低加工中的切削力，同時采用更大的超聲振幅可實現(xiàn)更小的切削力，而采用振幅穩(wěn)定的超聲加工可增大加工過程中的實際超聲振幅，從而獲得最小切削力。

（2）側(cè)面銑削及端面銑削過程中，在不同的進給速度、 主軸轉(zhuǎn)速和切削深度條件下采用超聲加工，會使工件表面產(chǎn)生較為均勻的微結(jié)構(gòu)并改變工件的表面粗糙度。 在側(cè)面銑削時，超聲加工可減少工件振動，從而降低表面粗糙度值，并且大的超聲振幅會帶來更好的表面質(zhì)量，而采用穩(wěn)定振幅超聲加工得到的表面粗糙度值最小。 端面銑削時不易發(fā)生顫振現(xiàn)象，并且更大的超聲振幅會帶來尺寸更加明顯的表面微結(jié)構(gòu)，提高工件表面粗糙度值。

（3）相較于傳統(tǒng)方法，超聲輔助銑削可在保持加工質(zhì)量的前提下提高切削速度和切削深度，即在相同加工質(zhì)量標準下提高了加工效率。