5A06铝合金的超声车削加工实验研究

董保，王刚

（东北轻合金有限责任公司熔铸厂，黑龙江 哈尔滨 150060）

5A06铝合金的超声车削加工实验研究

董保，王刚

（东北轻合金有限责任公司熔铸厂，黑龙江 哈尔滨 150060）

5A06铝合金车削加工时粘刀现象严重，易产生积屑瘤，很难获得好的已加工表面质量，为解决这些难题，本文将超声波理论与切削加工理论相结合，利用超声车削方法进行实验研究，并对比超声车削与普通车削的加工效果。结果表明，超声车削可以降低切削力、减轻刀具磨损、改善已加工表面质量。

5A06铝合金；超声车削；切削力；刀具磨损；表面质量

车削加工在生产中占有十分重要的地位，但随着生产发展和科学实验的需要，新型材料在机械制造中日益被广泛地采用，产品需求量越来越大，同时对其加工质量、加工精度、加工效率以及某些特殊要求越来越高，普通车削已经难以满足其加工要求。超声车削作为一种新型特种加工方法可以实现比普通车削更好的加工效果，在难加工材料以及难加工工序的加工中都具有很高的应用价值。超声车削使普通车削发生根本变化，是超声振动与普通车削相结合的一种复合加工方法，通过给刀具或工件施加高频、小振幅的超声振动来实现刀具与工件之间的周期性分离，属于断续切削。

1 超声车削机理

由于刀具的形状相对较固定且质量较轻，易于实现系列化，所以本文将超声振动施加在刀具上进行研究。在超声振动的辅助作用下，超声车削加工过程中刀具与工件之间反复循环地进行着接触、切削、分离的过程，刀具在切削方向上做简谐振动，其运动轨迹近似一条正弦曲线。

超声车削机理如图1所示，在一个振动周期T内只有在时间tc内刀具与工件接触，其余时间刀具与工件分离。当刀具与工件分离时切削力为零，当刀具与工件接触时才会产生切削力，即只有在图1中的ab段才会产生切削力，因此与普通车削相比超声车削可显著降低切削力。

超声车削时刀具与工件之间随着超声振动频率瞬时地进行切入和切出，同时运动速度和方向不断变化，使得工件材料在加工过程中的塑性变形减小并趋向于塑性状态，因此摩擦系数会降低。超声车削时刀具后刀面与工件之间的摩擦力Fr可表示为：

式中：µ为动摩擦因数，Fn为刀具相对于工件的法向作用力，Vc为切削速度，Vr为临界切削速度。当Vc≥Vr时相当于普通车削过程，作用于刀具后刀面上的摩擦力为µFn；当Vc

图1 超声车削机理

基于上述理论，本文在CA6140普通车床上建立超声车削加工系统，其基本结构如图2所示，主要由超声发生器、换能器、变幅杆、刀具及测量设备等部分组成。利用该加工系统便可实现超声车削加工，并可获得比普通车削更好的加工效果。

图2 超声车削加工系统

2 实验与分析

在相同的工艺参数条件下做有无超声振动的车削实验，工件选为本公司生产的5A06铝合金，该材料的塑性较高，在加工中极易产生积屑瘤，且粘刀现象非常严重，很难获得好的已加工表面质量，为获得理想的实验结果，选用热硬性和耐磨性相对较好的CCMT120404-HM Y BM251型硬质合金涂层刀具。

2.1 切削力分析

主切削力的大小约为总切削力的80%～90%，方向与主运动速度方向和超声振动方向相同，是监测刀具磨损状态的主要分力，因此在这里主要分析主切削力。利用普通车削方法和超声车削方法得到的主切削力对比结果如图3所示。

图3 切削力对比结果

从图3能明显看出，超声车削的主切削力小于普通车削很多，原因在于超声车削是在极短时间内实现的微量车削过程，刀具在极小的位移上获得较大的瞬时速度与加速度，局部产生很高的冲击能量导致切削区材料迅速变形，摩擦系数降低，塑性变形减小，从而降低了切削力。在理想的情况下，与普通车削相比超声车削的动摩擦系数可下降近10倍，其关系式为：

式中，µUAT和µCT分别为超声车削和普通车削的动摩擦系数。

2.2 刀具磨损分析

刀具的后刀面与已加工表面之间的摩擦导致切削刃耗失而引起后刀面磨损，它影响已加工工件的尺寸精度和表面质量，在实际应用中一般把后刀面磨损作为刀具磨损标准。利用普通车削方法和超声车削方法得到的后刀面磨损对比结果如图4所示。

图4 刀具磨损对比结果

从图4可以明显看到，在相同的切削条件下普通车削的刀具已经出现破损现象，而超声车削的刀具还处于正常的磨损阶段，验证了超声车削对刀具磨损的抑制作用。超声车削的后刀面磨损之所以会小于普通车削，主要包括以下几点原因：①超声振动的作用能降低刀具与工件接触时的摩擦系数；②在超声车削加工过程中，刀具与切屑的分离作用使得刀具与工件的粘附现象减少，同时也破坏了与鳞刺的产生条件，使摩擦力减小；③在超声振动的辅助作用下提高了系统的稳定性及刚度。

2.3 表面质量分析

较低的切削力和较轻的刀具磨损有助于改善已加工表面质量、提高加工精度。利用普通车削方法和超声车削方法得到的表面粗糙度对比结果如图5所示。从图5中能看出，在50 mm的测量长度内，普通车削的表面高度范围明显大于超声车削，测量得出普通车削的表面粗糙度R a约为1.5 μ m，而超声车削的表面粗糙度R a只有约为0.8 μ m，施加超声振动后表面粗糙度的降低幅度非常大，降低约47%。

图5 表面粗糙度对比结果

为了进一步证明超声车削的已加工表面质量好于普通车削，利用普通车削方法和超声车削方法得到如图6所示的已加工表面形貌对比结果。

TG506.5；TH161

B

1671-0711（2016）10（上）-0111-03