引言

為滿足制造業(yè)對(duì)零部件加工品質(zhì)的更高要求，可以采用超聲波振動(dòng)技術(shù)來達(dá)到間歇式切割的作用 [1-2] 。橢圓振動(dòng)切削方式是指通過對(duì)刀具或被測(cè)零件施加雙向振動(dòng)作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)刀頭和被測(cè)工件的橢圓切割路徑控制效果 [3] 。相對(duì)于單向振蕩切割方式，采用橢圓振蕩切割方式可以獲得更明顯的“分離”效應(yīng)，使刀 - 屑在切割階段產(chǎn)生反向摩擦效應(yīng)，從而提高切割效率 [4] 。

相關(guān)方面的研究吸引了很多了學(xué)者，取得了一定的研究成果。申奧等 [5] 研究超聲橢圓振動(dòng)銑削參數(shù)對(duì)鈦合金殘余應(yīng)力的影響，用極差法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化參數(shù)組合，對(duì)工件殘余應(yīng)力影響因素從小到大依次為：切削速度、幅值、振動(dòng)頻率。劉佳佳等 [6] 將超聲橢圓振動(dòng)引入到高速銑削中，開展鈦合金高速銑削試驗(yàn)，合理參數(shù)匹配使得超聲橢圓振動(dòng)銑削實(shí)現(xiàn)分離型斷續(xù)切削加工，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，能夠有效地提高生產(chǎn)效率。張明亮等 [7] 分析鈦合金超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到切削力降低 20%～30%，表面粗糙度降低。

本研究針對(duì) Ti- 6Al- 4V 合金開展測(cè)試，對(duì)比了不同振動(dòng)幅值下對(duì)非連續(xù)加工效應(yīng)的影響，再根據(jù)以上研究結(jié)果進(jìn)行鈦合金的橢圓振動(dòng)實(shí)驗(yàn)而分析，為后續(xù)的超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝優(yōu)化奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1、 超聲橢圓振動(dòng)銑削機(jī)理

相對(duì)于單向振蕩切割方式，施加超聲波橢圓振動(dòng)切割作用后能夠獲得更理想的切割效果。本研究采用4 套半圓形壓電片將兩片平行排列的壓電片組裝成三明治結(jié)構(gòu)壓電片，再按照設(shè)定順序施加正弦波，形成雙曲型超聲波的橢圓形振動(dòng)。在本實(shí)驗(yàn)側(cè)銑期間，相對(duì)刀旋轉(zhuǎn)軸成垂直的 xoy 平面上施加了超聲波橢圓振動(dòng)作用。在起始階段，控制橢圓振動(dòng)主軸與 Y 軸保持一致，并且短軸與 X 軸也保持一致，以主軸最高位置處作為起始振點(diǎn)，使橢圓軌跡沿順時(shí)針方向振動(dòng)；與旋轉(zhuǎn)工具方向保持一致，由此獲得圖 1 的超聲橢圓振動(dòng)銑削原理加工效果。

當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)行橢圓振動(dòng)的時(shí)候，可以隨刀具發(fā)生共同旋轉(zhuǎn)，之后施加超聲波橢圓振動(dòng)便可以形成銑刀中心軌跡及刀尖運(yùn)動(dòng)方程。

構(gòu)建如下的銑刀軌跡算式：

式中：a、b 分別為長(zhǎng)軸與短軸振動(dòng)幅度；f 為振動(dòng)頻率；θ 為刀齒與 X 軸夾角。

2、 試驗(yàn)方案

以 VMC1160 型四軸垂直數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測(cè)試，采用正向銑削工藝。目標(biāo)聲波幅度根據(jù)設(shè)定電壓進(jìn)行確定。將本實(shí)驗(yàn)的控制條件和工藝參數(shù)列于表 1 中。試驗(yàn)開始前，首先要對(duì)被測(cè)物體表明進(jìn)行打磨，并且避免因工具損耗而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果形成較大誤差。

在試驗(yàn)過程中，采用 LTZ- 50 型測(cè)力計(jì)進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)測(cè)試。采用芬蘭 FSM- 6000XTR 型應(yīng)力儀測(cè)定表面殘余應(yīng)力。采用 Prism方法檢測(cè)切削面下方一定深度處的表面殘余應(yīng)力值。

3、 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 切削力

控制固定主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的情況下，逐步提供數(shù)據(jù)采集頻率，使其更加趨近于真實(shí)值。該儀器采樣頻率設(shè)定在 1 000 Hz。切割開始前，需要先開啟超聲波電源檢測(cè)切割力，保證在銑削階段可以實(shí)時(shí)采集來自超聲波的切削力參數(shù)，切割結(jié)束后，將超聲波電源關(guān)閉，從而切斷力量計(jì)數(shù)據(jù)收集過程。由于側(cè)銑加工過程中，刀具在加工過程中所受的切削載荷相對(duì)于徑向作用力很小，所以在本實(shí)驗(yàn)中，僅研究由幅值因子導(dǎo)致的徑向切削力改變狀態(tài)。針對(duì)目前超聲波加工過程，實(shí)際取樣頻率較小，難以準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)態(tài)切削力。徑向切削力隨振幅變化結(jié)果如圖 2 所示。

從圖 2 測(cè)試結(jié)果中可以看出，當(dāng)增大附加幅值時(shí)，平均徑向切割力呈不斷下降的趨勢(shì)。當(dāng)超聲波幅值從 1μm增加到 7μm時(shí)，平均徑向切割力從 32.1N減小為 25.6 N，下降比例約 20%。這是由于在 1 μm變化幅度下，刀具保持持續(xù)切割的狀態(tài)，隨著振幅增大到 3 μm以后，可以通過超聲波橢球銑削方式來實(shí)現(xiàn)非均勻間斷切割加工的過程，受到瞬間微小撞擊作用時(shí)，切削層結(jié)構(gòu)也發(fā)生快速形變并從脫離，顯著降低了初切力。在超聲波加工過程中，當(dāng)超聲波幅值從3 μm 增加到 7 μm 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)平均切削力減小的現(xiàn)象。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是隨著振幅量的增大，有利于強(qiáng)化超聲波橢振銑削作用，使加工周期明顯縮短，而平均切削力隨之減小。

3.2 表面殘余應(yīng)力

圖 3 為超聲波橢園銑削過程中各幅值對(duì)應(yīng)的表面殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖 3 可以看出，隨著振幅的增大，表面殘余應(yīng)力也隨之增加。這是由于隨著振幅的增加，更容易發(fā)生分離現(xiàn)象，且更易在切削過程中形成負(fù)后角，使后傾面在切削階段形成較大殘余壓應(yīng)力。超聲波橢圓加工表面區(qū)域表面殘余應(yīng)力呈勺型分布，表面殘余應(yīng)力由表面最大點(diǎn)隨深度增大持續(xù)下降，由此獲得了穩(wěn)定表面殘余應(yīng)力。當(dāng)振動(dòng)幅值增大時(shí)，采用負(fù)后角切割工藝得到的軋光效應(yīng)更顯著，并產(chǎn)生較厚形變層。

4 、結(jié)論

通過對(duì)超聲橢圓振動(dòng)銑削鈦合金切削力和殘余應(yīng)力分析，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)增大附加幅值時(shí)，平均徑向切割力呈不斷下降，有利于強(qiáng)化超聲波橢振銑削作用，使加工周期明顯縮短，而平均切削力也隨之減小。

2）隨著超聲振幅增大，表面殘余應(yīng)力增加，表面殘余應(yīng)力由表面最大點(diǎn)隨深度增大持續(xù)下降，獲得了穩(wěn)定表面殘余應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

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