钛合金腹板高速超声椭圆振动铣削力研究

张明亮，张德远，高 泽，杨文远，耿大喜

（ 1. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191；2. 北京航空航天大学沈元荣誉学院，北京100191；3. 北京生物医学工程高精尖创新中心，北京100191 ）

钛合金在先进军用战斗机和轰炸机设计中的用量通常在20%以上，第3 代战斗机的钛合金用量已增长至27%，第4 代战斗机的钛合金用量更是超过41%[1]。 钛合金的优良特性使其得到广泛应用，成为了航空工业最重要的工程材料之一[2-3]，但其导热系数低、弹性模量小，也会为生产制造带来困扰。 导热系数低引起了加工过程中温度偏高的问题，加剧刀具磨损， 影响使用寿命， 也损害了表面质量；同样，弹性模量小使刀具后刀面与待加工表面之间的摩擦面积增大，导致切削抗力增大引入形变，使加工出的零件存在误差，表面质量变差。 因此，对于钛合金来说，针对温度、切削力等问题的研究仍需继续深入，引入新技术解决现有问题，进一步推动钛合金的发展应用。

超声加工技术是将高频振动附加到刀具上进行的加工技术，在工程上已有许多成功的应用[4]。 超声加工已被引入到车削、铣削、磨削、钻削及特种加工等工艺中，对加工效果有明显改善。 超声振动模式有轴向、弯曲、扭转三种基本形式及其复合形式，目前以轴向振动与双向弯曲振动的研究应用最为广泛。

超声振动将原有的连续切削过程分成多段脉冲式切削，原本一个周期连续切削变成了不断的切入切出，其中空切部分对受力影响显著，同时不断变化的运动方向使金属塑性变形减小，接近脆性状态，摩擦系数变小，从而减小切削力[5-6]。 切削力作为一个重要参数，被广泛而深入地研究。 Zhang[7]针对脆性材料的超声振动轨迹建立模型，利用公式计算切削力的大小并加以验证，结果显示公式计算结果预测较为准确。 此外，通过改变工艺参数观察切削力变化，证明了随着切削深度、切削速度、进给量的增大，切削力也逐渐变大。Abootorabi[8]研究了在振幅一定的条件下改变切削速度和在切削速度一定的条件下改变超声振幅时的铣削力，结果显示，超声振动在各种条件下测得的力都要优于普通铣削，然而铣削速度和振幅变化下力的相应变化却不是线性的，最优速度和最优振幅仍需通过试验得出。

机械加工得到的工件表面质量中的精度是指工件加工后得到的尺寸与形状表面间位置关系等参数的理想值与实际值之间的差别，其中表面粗糙度是衡量加工表面好坏的重要参数，它对零件的耐磨性、抗腐蚀性、配合稳定性、寿命等都有关键影响。 在壳体件、平板件等复杂结构中，当零件壁厚与内径曲率半径或轮廓尺寸之比小于1∶20 时，可称之为薄壁零件。 腹板作为一种常见的薄壁结构，自身刚度低，加工过程中受力易产生变形，加工余量大，表面精度较差。 薄壁加工的稳定性与加工变形都会严重影响零件的性能指标，进而影响其正常使用。

本文使用高速超声椭圆振动铣削工艺加工钛合金腹板，并将其与普通铣削工艺进行对比，观察两种工艺在切削力上的差别。

1 钛合金腹板铣削试验设计

为研究高速超声椭圆振动铣削工艺在钛合金腹板加工中的效果，设计了超声加工试验系统（图1），主要由加工中心、工件、超声振动系统和测量系统四部分组成。 采用BV100 立式加工中心，工件为工字型Ti6Al4V 钛合金腹板零件，尺寸为100 mm×42 mm×3 mm。 测试时，测力仪固定于加工中心工作台，工件固定在测力仪上方，试验过程中采集到的数据即为铣削加工过程中的切削力，试验中只采集X、Y、Z三个方向上的力的数据。 超声振动系统由超声电源、供电装置、非标BT50 刀柄与铣削换能器组成，超声电源产生频率为17 880 Hz 的电流，经感应供电装置传输， 使换能器产生稳定的超声频振动，换能器变幅杆末端为直径12 mm 的标准四刃硬质合金铣刀，具体参数见表1，刀具表面涂层为加工钛合金常用的TiAlN 涂层。 刀具在电流激励下于尖端产生稳定的X、Y方向振幅均为11 μm 椭圆振动。

设计的试验方案为：铣刀加工位置为腹板正中心，从走刀一端至另外一端，为避免加工过程中其他因素干扰试验，相同参数的超声加工与普通加工在一次走刀中完成，通过控制超声电源开关转换超声、普通加工模式，试验中先进行超声加工，再进行普通加工。

表1 铣刀参数表

本试验为突出高速超声铣削工艺在效率上的优势，选取了80～160 m/min 的铣削速度，每齿进给量根据刀尖振动幅值变化，分别取0.01、0.015、0.02 mm 三个值，铣削径向切宽取固定值6 mm，轴向切深取固定值0.2 mm。其中，切削速度v=nπD（D为试验用铣刀直径；n为机床主轴转速）， 即切削速度与主轴转速成正比。

试验切削力通过Kistler9254 测力仪进行测量，设定测力仪采样频率为50 000 Hz， 测力仪可测量力的精度为0.01 N，范围为±20 kN。

2 结果与讨论

2.1 三个方向上的切削力

试验过程中主要关注X、Y、Z三个方向的切削力，设定参数切深0.2 mm、切削速度120 m/min、每齿进给量0.02 mm， 试验过程中测力仪读取到的一组数据见图2。

从图2 可看出， 试验过程中先进行超声铣削，中途转换为普通铣削，整个切削过程大致分为四个阶段：

（1）切入阶段，铣刀与工件表面从分离变为逐渐接触， 这个过程中切削力也从零开始逐渐增大，直到铣刀与工件表面充分接触为止，加工开始进行下一过程。

（2）超声切削稳定阶段，刀具与工件接触程度不再发生变化，切削力也相对稳定，当加工过程完成一半时，手动关闭电源，加工进入下一过程。

（3）普通切削稳定阶段，这一阶段切削力大小也较稳定，不过与前一阶段相比，切削力明显增加。

（4）切出阶段，与第一阶段类似，刀具与工件逐渐产生分离，切削力在此过程中逐渐下降，最终降为零。

在图2 所示X、Y两个方向的切削力显示为负值，实则在加工过程中的切削力方向与测力仪默认切削力方向相反，故只需关注切削力值的绝对值即可。 实际加工时，对工件影响较大的是稳定切削阶段的受力情况，所以试验中使用软件读取稳定切削阶段的平均值，作为加工过程中所受切削力的值。

2.2 切削速度对切削力的影响

切削速度是有效提升零件加工效率的关键因素，因此先观察在每齿进给量0.02 mm 时的不同切削速度变化下，X、Y、Z三个方向的切削力在不同工艺下的对比与变化情况。 从图3 可看出，在相同切削速度下，高速超声椭圆振动铣削工艺在X、Y、Z三个方向产生的切削力较普通铣削加工更低，且随着切削速度的增大， 超声铣削与普通铣削过程在X、Y、Z三个方向的力也均呈现增加的趋势。其中，X方向为刀具进给方向， 普通铣削力在40～70 N 之间，超声铣削力在30～60 N 之间；Y方向与X方向垂直且与工件表平面平行，故切削力较小，普通铣削力在15～30 N 之间，超声铣削力在10～20 N 之间；Z方向与X、Y方向垂直，这个方向的力是腹板件铣削过程中最大的切削力，普通铣削力在80～150 N 之间，超声铣削力在60～120 N 之间。

图4 是每齿进给量为0.02 mm 时，X、Y、Z三个方向的切削力下降比率随切削速度的变化情况。 其中，Z方向的力垂直于工件表面，对工件形变影响较大，在这个方向上，高速超声椭圆振动铣削工艺降低切削力效果明显且稳定，数值均在20%左右；X、Y两个方向的切削力下降值变化相对较大，且随速度增加无明显变化规律，但数值也较稳定。

2.3 每齿进给量对切削力的影响

图5 是在切削速度120 m/s 时，X、Y、Z三个方向上的切削力随每齿进给量的变化情况。 可看出，相比于普通铣削加工，高速超声椭圆振动铣削工艺在不同每齿进给量下产生的切削力都较低； 同时，随着每齿进给量的增大，高速超声椭圆振动铣削与普通铣削过程在X、Y、Z三个方向的力也都整体呈现变大的趋势。 其中，X方向的普通铣削力在48～57 N 之间， 超声铣削力在39～44 N 之间；Y方向切削力依旧较小，普通铣削力在19～24 N 之间，超声铣削力在14～20 N 之间；Z方向的力仍是该加工过程中最大的切削力， 普通铣削力在100～110 N 之间，超声铣削力在78～87 N 之间。 在实际加工中，通常会通过改变每齿进给量来改变总进给量，以调整加工的整体效率。

图6 是切削速度固定为120 m/s 时，X、Y、Z三个方向的切削力随每齿进给量变化时的下降比率。其中，Z方向的力垂直于工件表面，对工件形变影响较大，在该方向上，高速超声椭圆振动铣削工艺降低切削力的效果较明显且稳定， 数值在20%左右；而X、Y两个方向的切削力下降值相对有一定的波动， 但数值也在20%左右， 三组数据均值略低于20%。

3 结束语

针对航空航天常用的钛合金机械加工特性差的问题，将高速超声椭圆振动铣削工艺引入航空常见薄壁零件结构——腹板的加工中，设计试验验证该工艺在钛合金腹板加工中对切削力的影响。 相比于普通铣削，高速超声椭圆振动加工过程中工件所受到的切削力更小，降幅约20%。 虽然超声加工与普通加工过程的切削力随每齿进给量及切削速度增加而增大，但在降低率方面相对稳定，在参数变动时存在一定波动，总体在20%左右。