Ti6Al4V分離型超聲振動微鉆削的鉆削特性仿真與試驗研究

張澤華,董志國,曹桂新,朱徐輝

太原理工大學機械與運載工程學院;精密加工山西省重點實驗室

1 引言

由于鈦合金比強度高、耐腐蝕性好、耐熱性高等優越的綜合性能,廣泛應用于航空航天、生物醫學和能源生產行業[1]。在鈦合金普通微孔鉆削加工過程中,鈦合金的導熱率低、硬度高和化學活性大等材料特性會導致排屑難、溫升快、易斷刀等問題,嚴重影響微孔質量及生產效益[2,3]。

近些年國內外相關學者對鉆削加工的研究主要包括切削理論、鉆削力及溫度等方面。安熠蔚等[4]通過試驗發現并總結了鉆削Ti6Al4V合金較好的加工參數。Pujana J.等[5]對Ti6Al4V進行鉆削試驗時發現,相比于普通鉆削,使用超聲振動鉆削會降低10%～20%鉆削力。Wang P.等[6]利用DEFORM軟件采用拉格朗日方法模擬鉆削過程,將鉆削力的試驗結果和仿真進行對比發現,誤差在3%～7%之間,證明了仿真的可行性和準確性,結果表明,超聲振動鉆削的鉆削力比普通鉆削降低13%～22%,溫度下降7%～15%。Chen S.等[7]對超聲振動切屑產生機理進行理論分析并鉆削201不銹鋼進行驗證發現,當振幅、頻率和每轉進給量滿足特定條件會產生斷屑,當超聲振動鉆削產生斷屑時,切屑表面光滑,相比普通鉆削,超聲振動鉆削能降低孔26.4%的表面粗糙度,減少刀具磨損,對孔表面質量起積極作用。

通過仿真與試驗對比結合的方法研究Ti6Al4V鈦合金的鉆削特性,探討分離型超聲振動鉆削基本原理,并分析普通鉆削和軸向超聲振動鉆削、分離型超聲振動鉆削和非分離型超聲振動鉆削的溫度及平均鉆削力,以提高Ti6Al4V鈦合金微鉆削加工的質量和效益。

2 超聲振動鉆削基本原理

2.1 切削刃運動軌跡

超聲輔助加工的原理是在工件或刀具上施加超聲振動,從而構成主進給運動和附加振動位移的組合運動。采用如圖1所示柱坐標系,在微鉆的軸向施加超聲振動,微鉆切削刃的運動方程為

圖1 超聲振動切削原理

(1)

式中,r為刀刃的半徑(μm);θ為刀刃轉過的角度(rad);fz為進給速度(mm/min);n為主軸轉速(r/min);A為超聲振動的振幅(mm);fv為超聲振動的頻率(Hz);av為超聲振動的初始相位(rad)。

2.2 超聲分離性切削原理

麻花鉆由兩條主切削刃和中間的橫刃組成,兩條主切削刃的旋轉角度相差弧度以及切削刃1和切削刃2的運動軌跡如圖2所示。

初始相位相差π的兩條切削刃高度差即為鉆削時的瞬時切削厚度h,計算式為

h=z2-z1

(2)

在超聲振動鉆削過程中,當瞬時切削厚度小于0和大于0時,為斷續切削,即分離型切削。須同時滿足兩個條件,為

(3)

(4)

令fr=fz/n,fr為鉆頭的每轉進給量;ωf=60×fv/n,wf為超聲振動頻率與鉆頭轉速的比值,定義為頻轉比。

有

(5)

滿足上述公式即為分離型超聲振動鉆削。

3 微孔鉆削的有限元仿真模擬

3.1 仿真前處理

采用DEFORM-3D軟件進行微鉆削仿真模擬時,為減少鉆頭的網格數量和提升計算效率,僅將參與切削過程的主切削刃和橫刃部分載入DEFORM-3D軟件中進行仿真模擬。刀具為剛體,工件為塑性體,麻花鉆刀具直徑為φ0.9mm,材料為硬質合金鎢鋼(WC-Co);工件材料為Ti6Al4V合金,尺寸為φ1.1mm×0.23mm的圓柱體。工件的材料參數見表1。

表1 工件材料物理參數

對刀具的切削部分以及工件需被鉆削部分進行網格精細化處理,以提高仿真結果準確性。如圖3a所示,刀具網格數為32000,網格尺寸比為3;工件網格數為100000,網格尺寸比為3。為實現軸向超聲振動微鉆削仿真,除設置鉆頭轉速外,還需導入刀具進給速度,如圖3b所示。鉆削仿真工藝參數見表2。

表2 鉆削仿真工藝參數

(a) (b)

3.2 材料本構模型修正

J-C本構模型考慮了應變硬化、應變率硬化、溫度軟化以及材料的綜合屬性,說明了材料響應,故在金屬切削模擬中得到了廣泛應用。其表達式為

(6)

本仿真為微鉆頭加工Ti6Al4V鈦合金,屬于微切削范疇,需要對該J-C本構方程進行修正,修正后的本構模型為

(7)

Ti6Al4V鈦合金材料的本構參數見表3。

表3 Ti6Al4V鈦合金J-C本構方程相關參數

3.3 仿真鉆削力分析

如圖4和圖5所示,轉速為6500r/min,進給速度為9mm/min時微孔鉆削鉆削力隨時間變化曲線。普通鉆削從入鉆階段開始鉆削力不斷上升,進入穩定鉆削階段時鉆削力在12N范圍內無規則波動。超聲振動鉆削鉆頭運動速度呈周期性變化且力曲線擺動較大,當鉆頭切削部分未接觸工件表面時,鉆削力驟減;當切削部分接觸并開始切割工件表面時,鉆削力增加,超聲振動穩定鉆削階段的平均鉆削力為8N,比普通鉆削約低30%。

圖4 普通鉆削仿真鉆削力

圖5 分離型超聲振動鉆削仿真鉆削力

如圖6所示,改變超聲振動鉆削參數,進行轉速為6000r/min,進給速度為13mm/min的非分離型超聲振動鉆削仿真,其平均鉆削力在11N左右,分離型超聲振動鉆削更容易產生斷屑,可改善刀具與工件之間的摩擦狀況,平均鉆削力比非分離型超聲振動鉆削降低約26%。

圖6 非分離型超聲振動鉆削仿真鉆削力

3.4 鉆削溫度分析

如圖7所示,在t=0.0286s時,普通鉆削和超聲振動鉆削均進入穩定鉆削狀態,普通鉆削的中心溫度約為106℃,分離型超聲振動鉆削的溫度約為80℃,相比于普通鉆削下降了24.5%,相比于非分離型超聲振動鉆削時的86℃下降了6%。超聲振動鉆削過程中刀具的高頻振動使刀具并沒有時刻與工件接觸,有利于鉆削散熱,因此其平均鉆削溫度較低。分離型超聲振動鉆削使碎屑更容易破裂,帶走大量熱量,因此其鉆削的溫度低于非分離性切削鉆削。

(a)普通鉆削

4 微鉆削試驗

4.1 試驗裝置

在HAAS VF-2三軸立式加工中心上進行普通鉆削和超聲振動鉆削試驗,其原理如圖8所示。在機床工作臺上固定Kistler 9119AA2測力儀,并將超聲振動儀固定在測力儀上,將1mm厚的Ti6Al4V工件固定在超聲振動儀上,超聲振動儀可為工件提供頻率為20000Hz且振幅為3μm的超聲振動,將Edmund-USB2.0數字放大鏡連接計算機并觀察試驗加工過程。

圖8 微鉆孔試驗原理

4.2 試驗鉆削力分析

如圖9所示,轉速為6500r/min,進給速度為9mm/min時微孔鉆削鉆削力隨時間變化曲線。普通鉆削初始階段,鉆頭切削部分開始切割工件,鉆削力急劇增大;當切削部分完全進入工件時,鉆削力相對穩定,約為25.24N。由于超聲振動鉆削鉆頭的高頻振動,其穩定切削狀態的鉆削力波動幅度大于普通鉆削,平均鉆削力約為20.31N,比普通鉆削降低了約19.5%。

(a)普通鉆削

圖10為5500r/min及6500r/min轉速下,穩定鉆削階段的平均鉆削力隨進給速度變化曲線。由圖可知,鉆削力隨進給速度的增大而增大,這是因為在高進給速率下,材料切削所需時間變短,且鉆頭瞬時沖擊速度變大導致材料變形,當與鉆頭運動方向相反的阻力增加時,則需要更大的鉆削力。

圖10 鉆削時平均軸向力隨進給速度變化

由于超聲振動的作用,刀具與切屑、工件與切屑之間的接觸及結合時間變短,降低了切削瘤的產生,且鉆頭的高速沖擊會使工件產生裂紋,有利于降低鉆削力,所以相同工藝參數下,超聲振動鉆削力小于普通鉆削,與仿真結果一致。

轉速對超聲振動鉆削有著重要影響,隨著主軸轉速的增加,相同時間內刀具與工件的接觸時間變長,且旋轉相同距離下刀具對工件的沖擊次數變少,所以超聲振動鉆削軸向力下降的幅度小于普通鉆削下降幅度。

4.3 分離型超聲振動鉆削

對Ti6Al4V合金進行普通微孔鉆削時,會不斷形成螺旋狀切屑,且切屑不易排出,導致鉆削力增加,鉆削溫度急劇上升;采用分離型超聲振動鉆削時,刀具的軸向振動加劇切屑的卷曲,切屑應變更容易超過切屑斷裂應變,使斷屑更容易。產生的切屑從微鉆頭與孔壁的間隙中排除,降低了切削溫度,改善了鉆頭前刀面與切屑之間的摩擦狀況,達到降低鉆削軸向力及鉆削溫度。

如圖11所示,轉速為6000r/min,進給速度為13mm/min的非分離型超聲振動鉆削,平均軸向力為25.95N,比上述分離型超聲振動鉆削軸向力高27.7%。但當非分離性鉆削選擇較小的進給速度時,其軸向力相比普通鉆削軸向力下降幅度也很大。

圖11 非分離型超聲振動鉆削試驗軸向力

5 結語

研究Ti6Al4V合金分離型超聲振動鉆削原理,并通過仿真與試驗結合對比分析,得出以下結論。

(1)根據仿真,分離型超聲振動鉆削力比普通鉆削降低30%,比非分離型鉆削降低26%;分離型超聲振動鉆削溫度比普通鉆削降低24.5%,比非分離型鉆削降低6%。

(2)根據試驗,超聲振動微鉆削穩定鉆削階段平均軸向力相較于普通鉆削可降低20%左右;隨主軸轉速的提高,超聲振動鉆削軸向力相比普通鉆削軸向力下降的幅度減小。

(3)分離型超聲振動鉆削更容易產生斷屑,其軸向力相較于非分離型超聲振動鉆削可降低約21%。