钛合金超声椭圆振动铣削参数对切削力的影响

张明亮，姜兴刚，刘佳佳 ，韩 雄 ，张德远

（1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191；2.航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都610092；

3.北京航空航天大学沈元荣誉学院，北京100191）

钛合金具有较高的比强度和较好的耐腐蚀性及耐热性，特别是在高温（300～400℃）条件下仍可保持这些特性，已成为航空航天领域及船舶领域中较重要的工程材料之一，并得到广泛应用[1-3]，但同时也给加工制造带来了难题。钛合金薄壁结构件在加工过程中的受力形式更复杂，对切削力的要求更高。超声振动切削技术是通过在切削刀具或加工工件上附加超声频椭圆振动，使刀尖相对于加工工件按椭圆轨迹进行振动，能实现高频断续振动切削。相比普通切削技术，超声波椭圆振动切削技术更有助于降低切削力和切削温度，可降低刀具磨损及延长刀具寿命[4-7]；相比传统超声振动切削技术，其“分离特性”更彻底，可使切削区打开，便于切削液进入切削区内部，从而实现切削区及刀具的冷却，进而降低切削温度及切削力，延长刀具寿命[8]。

铣削是机械加工中应用最广泛的加工方式，与车削不同，在铣削过程中铣刀做旋转运动，每齿之间为断续切削，对其刀尖运动的分析较复杂。普通铣削加工时，刀尖运动由主轴回转运动和进给运动组成，而超声椭圆振动则更复杂，其刀尖在做主轴回转运动和进给运动的同时，还附有高频椭圆振动[9]。本文利用自行研制的螺纹式椭圆激励式超声振动铣削刀柄系统，通过改变每齿进给量，对钛合金薄壁件进行了超声椭圆振动铣削与普通铣削的切削力对比实验，证明了切削速度恒定、每齿进给量在一定范围内变化时，超声椭圆振动铣削钛合金薄壁件可有效降低加工切削力。

1 超声椭圆振动铣削机理

超声椭圆振动铣削的特点是切削刀具的刀尖按椭圆轨迹运动，刀具对工件进行高频断续切削。可产生超声椭圆振动的刀柄结构有多种，实验采用了双弯椭圆振动刀柄。由于两弯曲振动的频率相同，经运动合成，即可在刀具断面产生椭圆轨迹振动（图 1）。

图1 超声椭圆振动铣削刀尖运动示意图

在超声椭圆振动铣削过程中，铣刀在进行超声椭圆振动的同时，也随着主轴做回转运动和进给运动，即铣刀刀尖的运动轨迹由这3种运动合成。超声椭圆振动的铣刀刀尖上任一点P的运动轨迹为：

式中：D为铣刀直径；ωi为主轴回转角速度；A、B分别为超声椭圆振动轨迹在椭圆长、短轴二个方向的振幅；vf为进给速度。

2 切削力对比实验研究

对钛合金薄壁件进行铣削加工时，采用的铣削方式为圆周铣削（简称周铣）。周铣涉及的切削参数主要有：进给速度vf、切削速度v、径向切深ap及轴向切宽a。实验主要针对进给速度vf对钛合金薄壁件切削力的影响，进而转化为确定切削速度v、改变每齿进给量来展开研究。

2.1 实验设备及材料

超声铣削刀柄是进行超声振动铣削加工的核心装置，实验采用螺纹式椭圆激励式超声振动铣削刀柄装置。如图2所示，该装置由导电滑环、超声椭圆振动铣削换能器、非标BT50刀柄组成，能方便地与传统铣床、加工中心连接，实现了高频超声椭圆振动铣削。

图2 超声纵振铣削刀柄装置结构图

搭建的钛合金薄壁件铣削实验平台见图3，具体实验条件如下：实验平台为BV100立式加工中心，刀具采用直径为12 mm的四刃硬质合金立铣刀，试件采用尺寸为70 mm×3.5 mm×60 mm的钛合金TC4板料，采用微量润滑系统进行冷却及Kistler 9254测力仪进行测量。加工过程中，机床主轴中心气冷，可使超声铣削换能器长时间稳定工作。

图3 高速超声椭圆振动铣削理论验证实验平台

2.2 实验方案

本文所提的超声椭圆振动铣削方法主要针对精密切削加工。设计实验方案时，改变了每齿进给量，并观察实验效果。超声椭圆振动铣削刀柄振动参数见表1，其他实验参数为：切削速度v=120 m/min、轴向切深 ap=5 mm、径向切深ae=0.2mm，每齿进给量 fz分别为 0.01、0.015、0.02、0.025、0.03 mm。对钛合金薄壁件进行侧铣实验时，对比了超声铣削、普通铣削二种方式的切削力大小及变化情况。

表1 超声振动铣削刀柄振动参数

为了准确测量普通切削和超声椭圆振动切削的平均切削力，减小因对刀、工件回弹等因素导致的误差，上述二种方法的切削力均在一次走刀过程中完成测量，且先测量普通切削的切削力，采集到稳定信号后开启超声电源，转换为超声椭圆振动切削，再采集超声椭圆振动切削的切削力信号。

3 实验结果与讨论

侧铣过程中z方向几乎不受力，故只关注x、y方向的切削力，并利用测力仪采集实验过程中的切削力信号，结果见表2。

表2 每齿进给量变化时的切削力变化

根据表2所示的数据，利用Origin软件绘制折线图（图4）。可见，在切削速度给定的前提下，每齿进给量变化时，超声椭圆振动铣削方式在二个方向上的力也均有所不同。对于侧壁铣削而言，主切削力为x方向的Fx，其大小直接影响薄壁件铣削精度及刀具寿命。对比可知，随着每齿进给量fz的增加，二种铣削方式的Fx值均逐渐增大，超声椭圆振动铣削在整个过程中的切削力都比普通铣削小；相比普通铣削，超声椭圆振动铣削Fx方向的力下降幅度在35%以上，且基本稳定。而在Fy方向，该趋势依然保持。由此可证明，在切削速度v确定的条件下，每齿进给量fz在一定范围内变化时，超声椭圆振动铣削钛合金薄壁件可有效降低加工时的切削力。

图4 切削力随每齿进给量变化曲线

4 结束语

本文利用自行研制的螺纹式椭圆激励式超声振动铣削刀柄装置进行实验，验证了超声椭圆振动铣削机理的正确性。钛合金薄壁件铣削切削力的对比实验结果表明：相较于普通铣削，随着每齿进给量的增大，超声椭圆振动铣削均可减小钛合金弱刚性结构件铣削加工过程中的切削力，降幅可达35%以上，切削力的下降有助于提高薄壁件加工精度、延长刀具寿命及提高表面质量等。

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