超声振动下钛合金高压冷却切削力分析实验
超声振动下钛合金高压冷却切削力分析实验
张赋彬
泉州市高级技工学校，机械教研组，福建泉州 362000
摘要：设置了合适的切削参数取值区间，开展超声振动下钛合金高压冷却切削力分析实验。研究结果表明：当切削速度提高后获得了更大切削力，处于较小切削速度下时，超声振动切削时达到了更强分离性能，获得比普通切削力降低40%效果。进入更深区域后，切削力明显升高，超声振动切削力减小幅度与切深保持稳定。超声振动切削获得更优降力性能，获得了比常规切削方式更大的作用力。该研究有助于提高钛合金的机加工切削效率，为后续的参数优化起到一定的支撑作用。
关键词：钛合金；超声振动切削；高压冷却；刀具寿命；表面质量
中图分类号：TH137
Experimental study on cutting force of high pressure cooling titanium alloy under ultrasonic vibration
Zhang Fubin
Quanzhou Advanced Technical School, Mechanical Teaching and Research Group, Quanzhou 362000, China
Abstract: The cutting force analysis of titanium alloy under high pressure cooling under ultrasonic vibration was carried out by setting the appropriate cutting parameter value interval. The results show that: when the cutting speed is increased, a larger cutting force is obtained. When the cutting speed is small, the ultrasonic vibration cutting achieves a stronger separation performance, and the effect is 40% lower than the ordinary cutting force. After entering deeper area, the cutting force increases obviously, and the reduction amplitude of ultrasonic vibration cutting force and cutting depth remain stable. Ultrasonic vibration cutting can achieve better force reduction performance and obtain greater force than conventional cutting. The research is helpful to improve the machining efficiency of titanium alloy, and plays a certain supporting role for the subsequent parameter optimization.
Key words: Titanium alloy;?Ultrasonic vibration cutting;?High pressure cooling;?Tool life;?Surface quality
0 引言
钛合金具备热导率小与比热容大的特点，对其进行切削加工时较易引起粘刀的现象，从而在切削阶段发生温度的明显升高引起合金软化的问题，无法保证高精度加工的要求[1-2]。同时受上述因素的影响，刀具容易出现加工磨损并造成寿命缩短的结果[3]。当切削温度过高时还会引起工件表面结构发生损坏，破坏表面的结构完整性[4]。以上研究结果显示，对钛合金进行切削加工时产生高温并由此引起应力作用是限制零部件加工性能的关键因素[5-6]。为减缓切削加工阶段产生的高温与应力影响程度，需要针对实际工况优化切削刀具材料与结构，同时采用更优润滑模式，也可以采用断续切削加工方法来满足上述加工需求。
为了使加工阶段周期性打开切削区，可以通过超声振动切削方法实现断续切削，对该方法进行研究的学者也较多[7]。具体实现方法是在加工期间设置微米级超声振动，从而控制刀具与工件切削期间完成周期分离的效果。在优化钛合金加工性能方面，沿不同振动方向分析了加工性能的变化特征[8-9]，设置高压冷却装置提升钛合金切削质量。设置了合适的切削参数取值区间，再将其与常规切削方法进行对比判断切削力改变情况[10]。本文在前人研究的基础上，展超声振动下钛合金高压冷却切削力实验，并进行切削力随切削速度、切深和进给量变化分析。该研究有助于提高合金材料的高压冷却切削效率，具有很好的指导意义。
1 试验设计
图1时本实验建立的测试平台。在SL40哈斯数控机床上开展测试，以TC4钛合金棒料作为工件材料，将其加工成150mm外径的圆柱结构并固定于卡盘位置。
图1 切削试验平台
利用图1所示的系统进行切削力测试，将信号采集后再输入电脑内进行处理[11]。为防止切削力测试参数受高压射流作用而出现偏移的情况，每次测试切削力之前都先完成空切校准，相当于每次完成切削液压力设置后，先测定对应切削液压力下的刀具空切载荷，再利用该数值作为切削力结果参考点[12]。
表1是设定的切削参数。测试期间，根据表中各项参数进行组合。
表1 工艺试验
2 试验结果与讨论
2.1切削力
设定压力为20MPa的条件下进行普通与超声振动切削，得到图2所示主切削力与振动方向进给抗力与切削深度、速度与进给量之间变化曲线。
图2显示了切深为0.05mm与进给量为0.005mm/r的参数下不同切削速度对应的切削力。可以看到，常规切削与超声振动切削模式下都表现为当切削速度提高后获得了更大切削力，处于较小切削速度下时，设置超声条件下进行振动切削时达到了更强分离性能，从而获得比普通切削力降低40%的效果，介于200～400m/min速度范围内都获得了降力的作用，将切削速度增大至500m/min后，超声振动模式下的切削过程已经不再具备降力的功能。
图3显示了切削速度保持400m/min与进给量保持0.005mm/r的情况下不同切深对应的切削力。可以看到，进入更深区域后，切削力也明显升高，不同于常规切削方式，采用超声振动切削模式时切削力减小幅度与切深之间保持稳定的变化趋势，介于10%～25%之间。
图4给出了切削速度400m/min与切深0.05mm的条件下不同进给量下得到的切削力。与常规切削模式相比，在进给量未超过0.016mm/r时，符合分离条件，此时采用超声振动切削方式可以获得更优降力性能，而提高进给量后，形成了更小的下降幅度，进给量达到0.016mm/r以上时，已经达不到分离的效果，此时以超声振动切削方式形成了具有明显波动性的轨迹，延长切削路程后，获得了比常规切削方式更大的作用力。
图2 切削力随切削速度的变化
图3 切削力随切深的变化
图4 切削力随进给量的变化
上述研究结果表明，当切削速度介于200～400m/min之间并且符合分离所需进给量时，采用超声振动切削方式获得了优于常规切削方式的降力效果，反之形成了更大的切削力，减弱了降力效果。
根据以上分析可知，应设置合适的切削条件才能延长刀具寿命。应控制切削速度低于抗冲击强度避免发生崩刃的问题，同时设置进给量在两倍刀具振幅以内。本研究设定切削速度介于200～400m/min，进给量为0.005～0.010mm/r，综合运用超声振动切削与高压冷却液使刀具寿命显著延长。
3 结论
本文开展超声振动下钛合金高压冷却切削力分析实验，得到如下有益结果：
1）当切削速度提高后获得了更大切削力，处于较小切削速度下时，超声振动切削时达到了更强分离性能，获得比普通切削力降低40%的效果。
2）进入更深区域后，切削力也明显升高，采用超声振动切削模式时切削力减小幅度与切深之间保持稳定，介于10%～25%之间。
3）采用超声振动切削方式可以获得更优降力性能，而提高进给量后，形成了更小的下降幅度，获得了比常规切削方式更大的作用力。
该研究具有很好的应用效果，但针对硬质材料存在加工效率不高的问题，期待后续通过学习算法对多目标参数进行优化。
参考文献
[1] 丁文锋，奚欣欣，占京华，等. 航空发动机钛材料磨削技术研究现状及展望[J]. 航空学报，2019，40(6)：
6-41.
[2] 曹建国，张勤俭. 碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性研究[J]. 机械工程学报，2019，55(13)：205-211.
[3] 康仁科，赵凡，鲍岩，等. 超声辅助磨削SiCf/SiC 陶瓷基复合材料[J]. 金刚石与磨料磨具工程，2019，35(4)：
85-91.
[4] 袁松梅，韩文亮，朱光远，等. 绿色切削微量润滑增效技术研究进展[J]. 机械工程学报，2019，55(5)：175-185.
[5] 赵波，李鹏涛，张存鹰，等. 超声振动方向对TC4钛
合金铣削特性的影响[J]. 航空学报，2020，41(2)：623301.
[6] 倪陈兵，朱立达，宁晋生，等. 超声振动辅助铣削钛合金铣削力信号及切屑特征研究[J]. 机械工程学报，2019，55(7)：207-216.
[7] 曹建国，张勤俭. 碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性研究[J]. 机械工程学报，2019，55(13)：205-211.
[8] 闫冬,李国和,王丰等.铝锂合金切削加工试验研究进展[J].航空制造技术,2023,66(06):108-118.
[9] 李梓钊,邓文君,庞学勤.限制接触切削过程力热特性仿真及试验研究[J].航空制造技术,2023,66(05):36-46.
[10] 刘乐,张亚龙,关悦等.TB9钛合金超声辅助切削试验研究[J].制造技术与机床,2023,No.727(01):44-48.
[11] 江敏,吴鸿云,陆新江等.基于螺旋截齿切削技术的深海富钴结壳切削参数计算与试验研究[J].矿业研究与开发,2021,41(11):162-167.
[12] 代兵.基于二维超声振动辅助的钛合金切削加工分析与试验研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2020,40(06):92-96.
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