微織構(gòu)刀具超聲銑削航空鋁合金的研究

唐軍，陳小靜，趙波

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

7075 鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系超硬鋁，具有良好的抗剝落腐蝕、抗應(yīng)力開裂和抗疲勞性能等特點，已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如用于制造飛行器的整體結(jié)構(gòu)件和減速板等[1]。該材料在輕量化、薄壁化的使用過程中，其性能常會因工件表面的殘余應(yīng)力、粗糙度以及微織構(gòu)的變化而變化。通常在加工過程中直接改善工件表面質(zhì)量，來提高生產(chǎn)效率。目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多改善工件表面質(zhì)量的方法，包括微織構(gòu)刀具加工[2]、預(yù)應(yīng)力加工[3]、插銑加工[4-5]、高速加工[6-7]、超聲加工[8]以及復(fù)合加工[9]等加工工藝。

Olleak[10]以三維有限元仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，研究了無織構(gòu)、平行溝槽、垂直溝槽、對角溝槽、微坑、斜坑等六種形式對切削力、溫度、應(yīng)力分布及刀具磨損的影響規(guī)律，結(jié)果表明，微織構(gòu)刀具在降低切削力和切削溫度、應(yīng)力均化、減少磨損等方面具有顯著的優(yōu)勢，其中，垂直溝槽與斜溝槽的作用效果更加明顯。彭銳濤等[11]研制了一種軸類零件的預(yù)應(yīng)力車削夾具，并通過切削試驗得出，較低的切削速度和進(jìn)給量、較大的背吃刀量對工件表面獲取殘余壓應(yīng)力是有積極作用的。Yang 等[12]對比分析了表面無織構(gòu)及凹坑、橫向、縱向、正交織構(gòu)五種形式的硬質(zhì)合金刀具對TC4 的高速銑削情況，發(fā)現(xiàn)有織構(gòu)刀具加工的工件，隨切削行程增大，表面粗糙度呈較緩上升趨勢，表面顯微硬化程度整體呈現(xiàn)下降趨勢，表面變質(zhì)層中的C和O 含量較低。田榮鑫等[13]利用硬質(zhì)合金插銑加工TC17，發(fā)現(xiàn)工件表面的殘余壓應(yīng)力沿深度方向呈先增大、后減小、最后趨于零的趨勢。左敦穩(wěn)、許鴻昊等[14-15]將高速切削與預(yù)應(yīng)力加工進(jìn)行復(fù)合，提出了一種拉伸高速銑削工藝，通過切削試驗發(fā)現(xiàn)，在不影響表面質(zhì)量的前提下，可以在工件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力層，有效延長了工件疲勞裂紋萌生壽命。劉戰(zhàn)強(qiáng)等[16]基于熱力耦合，建立了雙刃高速切削過程中切屑的溫度場，分析了鋁合金工件表面殘余拉/壓應(yīng)力的形成機(jī)理。Ping Guo 等[17]利用兩組壓電換能器呈60°布置的方法，實現(xiàn)了刀尖的橢圓振動，并對6061鋁合金進(jìn)行車削試驗，發(fā)現(xiàn)工件表面形成了一致的微織構(gòu)形貌特征。曹騰[18]利用超聲橢圓振動對工件表面進(jìn)行凹坑織構(gòu)化設(shè)計，發(fā)現(xiàn)經(jīng)設(shè)計后的工件摩擦系數(shù)顯著降低，工件的耐磨性能得到有效提高。張翔宇等[19]將超聲波橢圓振動應(yīng)用于高速切削 Ti-6Al-4V中，發(fā)現(xiàn)刀具壽命提高了300%，效率提高了90%，切削力降低了50%。姜興剛等[20]利用雙彎曲橢圓振動高速銑削TC4 鈦合金薄壁件，發(fā)現(xiàn)刀具的切削力降低了50%，刀具顫振得到了抑制，零件形位精度得到顯著提高[20]。張臣等[21]提出了一種針對超聲橢圓振動的轉(zhuǎn)角同步控制方法，在工件周面形成了矩形陣列織構(gòu)。佟欣等[22]對比分析了變密度微織構(gòu)和均勻分布微織構(gòu)球頭銑刀對鈦合金切削加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)前者在提高刀具切削性能和工具表面質(zhì)量方面均具有顯著的優(yōu)勢。

綜上所述，預(yù)應(yīng)力加工和插銑加工對加工工件的結(jié)構(gòu)形狀有較大的限制；高速加工對機(jī)床刀柄系統(tǒng)動平衡要求比較嚴(yán)格（即G2.5～G1.0）。相比較而言，微織構(gòu)刀具和超聲振動不僅對主軸系統(tǒng)要求低，且對工件形狀無特殊要求?；诖耍疚奶岢隽艘环N微織構(gòu)超聲振動刀具系統(tǒng)，通過切削試驗，研究分析切削參數(shù)對工件表面完整性參數(shù)（表面粗糙度、殘余應(yīng)力、顯微硬度和微觀織構(gòu)）的影響規(guī)律。

1 微織構(gòu)超聲振動銑削機(jī)理

1.1 切削系統(tǒng)

文獻(xiàn)[23-24]指出，較其他幾種微織構(gòu)形式（縱向溝槽、凹坑以及凸包），橫向溝槽織構(gòu)改善刀具切削性能的效果更為顯著。據(jù)此，在刀具前刀面上布置橫向溝槽織構(gòu)，如圖1 所示。

縱扭復(fù)合超聲振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。聲學(xué)系統(tǒng)主要包括五部分：超聲波電源、非接觸電能傳輸系統(tǒng)、縱振換能器、斜槽式縱扭變幅桿以及橫向溝槽微織構(gòu)銑刀。

1.2 切削機(jī)理分析

加工工件表面形貌特征與刀具形狀、運(yùn)行軌跡有密切關(guān)系。本文所使用的縱扭復(fù)合超聲微織構(gòu)銑削屬于超聲橢圓振動加工范疇。在整個切削過程中，微織構(gòu)刀具的運(yùn)動主要有進(jìn)給運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動以及縱扭復(fù)合超聲振動三部分組成。

刀具采用的切削刃為圓角切削刃，幾何模型如圖3 所示，前刀面為Ar，后刀面為Aα，切削刃為S。

圖1 橫向溝槽微織構(gòu)Fig.1 The transverse groove micro texture: a) groove size; b) 3D topography of grooves

圖2 縱-扭復(fù)合超聲振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of longitudinal-torsional ultrasonic vibration system

圖3 刀具幾何模型Fig.3 Tool geometrical model

縱扭復(fù)合超聲振動會使得刀具在空間形成一個三維橢圓振動軌跡。考慮刀具切削參數(shù)（切削深度、瞬時切削速度以及進(jìn)給速度）和振動特征條件，可得刀具運(yùn)動軌跡方程為：

式中：f為超聲振動頻率；xA、Ay、zA為超聲振幅；xφ、yφ、zφ為相位差；pα為切削深度；vf為進(jìn)給速度；v為瞬時切削速度。

對方程式(4)進(jìn)行求解計算，可以獲得刀具刀尖的運(yùn)動軌跡（假設(shè)相位差為90°），如圖4 所示。

圖4 刀尖運(yùn)動軌跡特征Fig.4 The characteristics of tool tip motion trajectory

基于方程式（4），利用數(shù)學(xué)仿真軟件在空間范圍內(nèi)繪制加工工件的表面形貌，如圖5 所示。

圖5 工件表面織構(gòu)形貌Fig.5 Surface texture morphology of work-piece

2 試驗研究

微織構(gòu)縱扭復(fù)合超聲銑削裝置加工現(xiàn)場如圖6所示。在DMU80 加工中心上，通過BT40 刀柄將微織構(gòu)超聲銑削系統(tǒng)與電主軸相連，利用平口虎鉗來固定工件。

圖6 加工現(xiàn)場Fig.6 The processing site

本試驗利用前期所研制的超聲電源與無線電能傳輸系統(tǒng)[25]，原-副邊氣隙為0.5 mm，電能傳輸效率為65%，超聲換能器頻率為35 kHz，變幅桿為調(diào)質(zhì)45#鋼，銑刀基體為調(diào)質(zhì)40Cr，雙直刃銑刀直徑為12 mm，刀片材料為鎢鈷類硬質(zhì)合金YG6X，硬質(zhì)合金厚度為2 mm。銑刀與縱扭變幅桿通過彈簧夾頭（ER20）相連，再與超聲振動系統(tǒng)相連，利用阻抗分析儀（PV70A）進(jìn)行測試，縱扭復(fù)合超聲頻率為36.5 kHz，并通過LK-G10 激光位移傳感器（KEYENCE）測量，超聲縱振振幅為7.5 μm，扭轉(zhuǎn)振幅為5.2 μm。銑刀表面溝槽微織構(gòu)采用北京中航北工研制的金屬光纖M20 打標(biāo)機(jī)制作，激光功率6 W，頻率20 kHz，速度70 μm/s。所制備的溝槽寬度為51 μm，跨距為100 μm，深度為12.57 μm。

試驗材料為供應(yīng)態(tài)7075-T6 鋁合金，加工工件的厚度為50 mm，寬度為40 mm，顯微硬度HV=1370 MPa，抗拉強(qiáng)度為524 MPa，密度為2850 kg/m3。

在相同加工參數(shù)下，分別進(jìn)行無超聲振動的微織構(gòu)刀具銑削和有超聲振動的微織構(gòu)刀具銑削。開啟超聲電源按鈕為微織構(gòu)超聲銑削（Micro-texture ultrasonic milling, MTUM），關(guān)閉超聲電源按鈕為微織構(gòu)刀具銑削（Micro-texture tool milling, MTTM）。采用單因素試驗法，分析加工參數(shù)對工件表面粗糙度、顯微硬度和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司研制的JB-IC 表面粗糙度測試儀對加工工件表面粗糙度Ra進(jìn)行3 次測量，并取平均值；使用MH-5 顯微維氏硬度計測量試件的顯微硬度；采用加拿大PROTO-LXRD X 射線衍射儀測量工件表面殘余應(yīng)力；采用基恩士VHX-5000 超景深儀測量工件三維形貌特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 切削試驗

根據(jù)表1 的試驗參數(shù)進(jìn)行切削試驗，整個切削過程中，在主軸轉(zhuǎn)速N=1400 r/min，每齒進(jìn)給量fz=0.03 mm，銑削深度ap=0.1 mm 時，微織構(gòu)刀具超聲加工工件表面的粗糙度數(shù)值最小，為Ra=0.588 μm，較相同切削參數(shù)下微織構(gòu)刀具銑削工件表面粗糙度（Ra=0.65 μm）降低約9.5%。

設(shè)置表1 所示的切削試驗參數(shù)。分別改變主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、銑削深度得到其與粗糙度的關(guān)系，見圖7—9。在相同切削參數(shù)條件下，與微織構(gòu)刀具加工相比較，微織構(gòu)刀具超聲銑削加工的工件表面粗糙度比較小，粗糙度的降幅在4.7%～13.2%。隨主軸轉(zhuǎn)速增大，工件表面粗糙度呈逐漸下降的趨勢，而銑削深度、每齒進(jìn)給量與工件表面粗糙度成正比關(guān)系。

這主要是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速增大和施加超聲振動，較好地抑制了刀具表面積屑瘤的形成。微織構(gòu)縱扭復(fù)合銑削的變切削角特性[26]，能夠有效降低每齒進(jìn)給量和銑削深度在工件表面殘留面積的高度，從而降低工件表面的粗糙度。

表1 試驗參數(shù)Tab.1 Test Parameter

圖7 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of rotary speed on the surface roughness

圖8 每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of feed per tooth on the surface roughness

在相同切削參數(shù)條件下，與微織構(gòu)刀具銑削相比較，微織構(gòu)刀具超聲加工的工件表面顯微硬度比較大，增加了1.13%～2.35%（圖10—12）。這主要是由于與微織構(gòu)刀具銑削相比，微織構(gòu)縱扭復(fù)合銑削的變速切削特性使加工材料應(yīng)變硬化率得到提高，流變抗力增加，加工工件表面的強(qiáng)化效應(yīng)也得到了一定的增強(qiáng)，最終形成了較高的表面顯微硬度[26]。在兩種銑削條件下，加工工件表面的顯微硬度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大，呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢，隨每齒進(jìn)給量的增大而增大，而銑削深度對工件顯微硬度的影響不顯著。

圖9 銑削深度對表面粗糙度的影響Fig.9 Effect of milling depth on the surface roughness

圖10 主軸轉(zhuǎn)速對顯微硬度的影響Fig.10 Effect of rotary speed on the micro-hardness

圖11 每齒進(jìn)給量對顯微硬度的影響Fig.11 Effect of feed per tooth on the micro-hardness

圖12 銑削深度對顯微硬度的影響Fig.12 Effect of milling depth on the micro-hardness

在相同切削參數(shù)條件下，微織構(gòu)刀具超聲加工的工件表面深度方向的殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，而微織構(gòu)刀具銑削加工的工件表面深度方向的殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力為主（圖13—15）。在兩種銑削條件下，加工工件表面的殘余應(yīng)力隨主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量增大而增大，增勢顯著。銑削深度對工件表面殘余應(yīng)力的影響不顯著。

圖13 主軸轉(zhuǎn)速對殘余應(yīng)力的影響Fig.13 Effect of rotary speed on the residual stress

這主要是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量的增大，切削溫度會急劇上升，在熱應(yīng)力作用下，工件表層形成殘余拉應(yīng)力，其中，每齒進(jìn)給量對殘余拉應(yīng)力的影響最為顯著。相比微織構(gòu)刀具銑削，微織構(gòu)刀具在超聲加工過程中會對工件表面反復(fù)沖擊和擠壓，這會使表層材料產(chǎn)生塑性變形，增大位錯密度，形成殘余壓應(yīng)力層和加工硬化。

3.2 表面微觀形貌特征

在主軸轉(zhuǎn)速N=1400 r/min，每齒進(jìn)給量fz=0.03 mm，銑削深度ap=0.1 mm 時，兩種銑削工況下工件表面的微觀形貌如圖16 所示。在微織構(gòu)刀具銑削條件下，加工工件表面有明顯的走刀軌跡和劃痕；在微織構(gòu)超聲銑削條件下，加工工件表面形成較為規(guī)整、統(tǒng)一的“魚鱗網(wǎng)紋”。由此可見，較微織構(gòu)刀具銑削，微織構(gòu)刀具在超聲加工過程中具有改善工件表面質(zhì)量的優(yōu)勢。

圖14 每齒進(jìn)給量對殘余應(yīng)力的影響Fig.14 Effect of feed per tooth on the residual stress

圖15 銑削深度對殘余應(yīng)力的影響Fig.15 Effect of milling depth on the residual stress

圖16 加工工件表面形貌Fig.16 Surface morphology of work-piece; a) micro-texture tool milling; b) micro-texture ultrasonic milling

4 結(jié)論

1）基于微織構(gòu)刀具的超聲銑削運(yùn)動軌跡特征，利用MATLAB7.1軟件仿真分析了加工工件的表面微觀形貌特征。

2）在相同切削參數(shù)下，微織構(gòu)刀具超聲銑削所獲工件表面的粗糙度值均優(yōu)于微織構(gòu)刀具銑削所獲工件表面的粗糙度值，其中，主軸轉(zhuǎn)速與工件表面粗糙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而銑削深度、每齒進(jìn)給量與工件表面粗糙度呈正相關(guān)關(guān)系。微織構(gòu)刀具超聲銑削所獲工件表面的顯微硬度值均高于微織構(gòu)刀具銑削所獲工件表面的顯微硬度值，其中，隨主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量的增大，顯微硬度呈現(xiàn)增大趨勢，而切削深度對顯微硬度的影響不顯著。微織構(gòu)刀具銑削所獲工件表面呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，而微織構(gòu)刀具超聲銑削所獲工件表面均呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，其中，隨著主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量的增大，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而切削深度對殘余應(yīng)力的影響不顯著。