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超声振动辅助铣削钛合金表面特征 及摩擦学性能研究

作者:李经理
文章附图

摘要:近年来,超声振动辅助加工技术已经被证明是一种有效改善加工表面质量的方法。本文针对超声加工过程中高频断续加工的特点,进行了沿进给方向超声振动辅助铣削钛合金加工试验,并对超声振动辅助铣削钛合金加工表面的表面特征和摩擦学性能进行了实验研究。研究发现,与普通铣削试件表面相比,超声振动辅助铣削试件表面具有明显的特征。施加超声振动会在试件表面产生均匀的振动纹理微织构,均匀的振动纹理能够覆盖普通铣削表面上的走刀痕迹、凹槽和凸起等不规则结构,并且,均匀的振动纹理微织构能够明显改善加工表面的摩擦性能。此外,本文还实验研究了振动振幅对表面摩擦性能的影响,研究结果表明,振动振幅对表面摩擦性能具有较大影响。随着振动振幅的增加,表面摩擦系数先增加后减小,在切削速度为vc=12m/min,振动振幅A=10μm时,表面摩擦系数最小。

关键词:超声振动辅助铣削;表面特征;摩擦学性能;

ResearchontheCharacteristicsofMachinedSurfaceandTribological

BehaviorsinUltrasonicVibration-assistedMillingofTitaniumAlloys

Abstract:Inrecentyears,ultrasonicvibration-assistedmachining(UM)technologycharacterizedbyseparate-typecuttinghasbeenfullyprovedandrecognizedasaneffectivemachiningmethodforimprovingthesurfacequality.ThispaperfocusesoninvestigatingthesurfacecharacteristicsandtribologicalbehaviorsoftitaniumalloyTi–6Al–4Vinultrasonicvibration-assistedmilling(UVAM).Theresultsshowedthatcomparedtoconventionalmillingmethod,uniformmicro-vibration-texturesappearedonmachinedsurfacesinUVAM,whichcouldcoverthepathofthecutterontheconventionalmillingsurface,andirregularstructuressuchasgroovesandprotrusions.Ontheotherhand,theuniformvibrationmicro-texturecouldsignificantlyimprovethefrictionalpropertiesofthemachinedsurfaceinUVAMprocess.Moreover,thispaperalsoexperimentallyinvestigatestheeffectofthevibrationamplitudeoffrictionalpropertiesofmachinedsurfaceinUVAM.Thetestresultsindicatedthatthevibrationamplitudehasagreatinfluenceonthefrictionperformanceofthesurface.Thesurfacefrictioncoefficientincreasesfirstandthendecreasesasthevibrationamplitudeincreases.Whenthecuttingspeedisvc=12m/minandvibrationamplitudeisA=10m,thesurfacefrictioncoefficientisthesmallest.Keywords:Ultrasonicvibration-assistedmilling;Surfacecharacteristics;Tribologicalbehaviors;TitaniumAlloys

0前言

超声加工技术是在刀具和工件相对运动的基础上,沿一定方向给刀具或者工件施加超声频的微米级振动进行加工的特种加工技术[1]。在现代制造业中,超声加工技术是实现难加工材料高质量、高效率和低成本的加工有效方法之一[2,3]。与传统车削、磨削和铣削等常规切削加工技术相比,超声加工技术具有明显的工艺优势,如切削力小[4,5]、切削温度低[6]、加工表面质量高[7]、加工精度高[8]、加工稳定[9]等优点。

与超声振动辅助车削、钻削和磨削技术相比,超声振动辅助铣削加工技术的研究起步较晚,其相关的文献报道比重也较少[10]。2006年,台湾的Chern和Chang教授[11]研究了低频振动辅助微铣削铝合金的加工性能,研究发现,与普通铣削相比,振动铣削有助于改善加工表面质量,提高加工精度和延长刀具使用寿命。但是,由于施加的振动频率较低,不能够完全发挥出超声振动辅助加工的技术优势。国内的沈学会等人[12]对超声振动辅助铣削铝合金进行了详细研究,研究发现,超声振动辅助铣削能够将连续的切削过程转变为断续微元切削过程,产生类似脉冲式的切削力,同时超声振动辅助铣削能够有效降低平均切削力。沈学会等人[13]对超声振动微纹理表面在边界润滑条件下的摩擦学性能进行了研究,研究发现,与无纹理铝合金表面相比,超声振动微纹理表面有助于增强油膜强度,提高摩擦表面的抗负载能力和抗磨损性能。此外,Li和Wang[14]研究发现在施加超声振动的基础上,使用微量润滑(MQL)技术能够进一步改善加工表面质量和延长刀具使用寿命。

钛合金因具有优异的综合力学性能,如比强度高、抗腐蚀性能好和耐磨损等,在航空航天、生物医疗和汽车工业等领域中获得了大量的应用[15]。但钛合金本身具有热导率低、弹性模量小、化学活性高的固有属性,使得钛合金加工过程中存在切削力大、切削温度高、刀具磨损大、切削效率低等难题。本文对超声振动辅助铣削钛合金加工表面特征及摩擦学性能进行实验研究。首先,通过普通铣削实验和超声振动铣削实验加工获得不同纹理织构的表面,并使用超晶深显微镜和三维轮廓仪对加工表面特征进行观察;然后,通过不同纹理结构表面的摩擦实验对织构表面的摩擦学性进行研究。研究发现,与普通铣削试件表面相比,超声振动铣削试件表面具有独特的表面纹理织构,同时,表面纹理织构能够改善表面的摩擦性能。

1实验原理及方法

1为沿进给方向超声振动辅助铣削系统示意图。如图1所示,将微米级的超声频振动沿工件的进给方向施加在工件上。超声振动辅助铣削系统包括加工中心系统、超声振动系统、超声振动特性在线监测系统和切削力采集系统四部分。本实验所用机床为沈阳机床厂生产的TH5650立式加工中心,具有定位准确,运行稳定和加工精度高的特点。超声发生系统主要包括超声发生器、变幅杆、换能器和谐振块。使用有限元软件对谐振块的尺寸和结构进行优化设计,经优化设计的谐振块和工件组成的整体能够满足振型和频率的要求。此外,超声振动特性在线监测系统主要包括激光位移传感器、控制器、高速数据采集卡和电脑。超声振动特性在线监测系统能够监测实际加工中振动振幅的大小。

图1.png

钛合金材料是一种典型的难加工材料,本文试验中所用的钛合金的材料属性见表1所示。由于钛合金具有较差的热传导率,切削过程中产生的大量切削热会在切削区不断累积,造成较高的切削温度从而影响刀具使用寿命。因此,本实验选用TiAlN涂层整体硬质合金立铣刀,涂层材料中铝元素能够在高切削温度下形成氧化物,有利于提高刀具的热硬度和磨损性能。实验条件和主要加工参数如表2所示。

表1.png

同时,本文使用先进的检测设备来检测普通铣削和超声振动辅助铣削钛合金表面形貌特征。使用基恩士超景深显微镜来观察加工表面的二维表面形貌特征,如图2(a)所示,使用法国STIL三维表面轮廓仪采集加工试样三维表面形貌特征,如图2(b)所示。

图2.png

2实验结果分析

2.1表面形貌特征

为了研究超声振动辅助铣削表面形貌特征,本文分别进行了普通铣削和超声振动辅助铣削钛合金实验,然后使用超景深显微镜和三维轮廓仪对加工表面形貌特征进行检测,测量结果分别如图3和图4所示。如图3(a)所示,沿刀具进给方向,在普通铣削钛合金加工表面存在明显的走到痕迹,由于刀具副偏角的存在,这些走到痕迹由许多的凹槽和凸起的轮廓构成,如图3(b)所示。如图4(a)所示,在超声振动辅助铣削加工表面出现了均匀的振动纹理,这些振动纹理是超声加工过程中切削刃和工件材料连续分离和接触的结果。如图4(b)所示,均匀的振动纹理近似覆盖了刀齿的走到痕迹,超声振动辅助铣削得到了较好的加工表面形貌。本文还给出了两种加工方式下,沿直线路径横截面轮廓的高度分布图,如图3(c)和图4(c)所示,由图可知,普通铣削横截面轮廓沿进给方向呈现出无序分布,超声振动辅助铣削横截面轮廓沿进给方向呈现出交替分布的趋势。此外,根据加工表面的三维轮廓高度分布概率图可以看出,超声振动辅助铣削加工表面的高度分布相对更加集中,如图3(d)和4(d)所示。

图3.1.png 图3.2.png


图4.1.png图4.2.png

2.2纹理表面的摩擦学性能

本文中,摩擦实验的主要目的是研究两种不同纹理织构特征表面的摩擦学特性。摩擦实验参数如表3所示,摩擦实验现场如图5所示。

图5.png

6为两种不同形貌特征表面的摩擦系数曲线,由图可知,两种试件的表面摩擦系数主要分布在0.3~0.6之间。分析可知,超声振动辅助铣削和普通铣削表面的摩擦系数表现出一定的区别,这种区别主要表现在材料的初期磨合阶段。由于超声铣削试件表面存在着均匀振动纹理形成的微织构结构,因此,即使在初期磨合阶段其摩擦系数波动也较小。相反的,由于普通铣削加工表面分布着大量的走刀痕迹、凹坑和凸起等不规则结构,在试件表面的初期磨合阶段,普通铣削试件的摩擦系数表现出较大的波动性。随着试件表面摩擦时间的不断增加,普通铣削试件与超声铣削试件的摩擦系数变化规律基本相同。

图6.png

7为不同振幅作用下的摩擦系数变化曲线。由图7可知,施加超声振动之后,摩擦系数下降明显。随着振动振幅的增加,摩擦系数呈现先降低再增加的趋势,在超声振幅A=10μm时,摩擦系数最小,摩擦系数小于0.4。

图7.png

3结论

(1)超声振动辅助铣削表面具有均匀的振动纹理微织构。普通铣削钛合金试件表面存在明显的走刀痕迹、凹槽和凸起等不规则结构。在超声振动辅助铣削过程中,由于刀尖和工件的连续性分离,在钛合金试件表面形成均匀的振动纹理微织构,均匀的振动纹理覆盖了刀齿的走到痕迹,因此,超声振动辅助铣削能够得到较好的加工表面形貌。

(2)摩擦实验结果表明,施加超声振动能够改善加工表面的摩擦学性能。在初期磨损阶段,由于普通铣削试件的不规则表面特征,普通铣削试件的摩擦系数表现出明显的波动特性。施加超声振动之后,在试件表面形成的均匀振动纹理微织构能够改善加工表面的摩擦学性能。

(3)振动振幅对加工表面的摩擦性能具有较大影响。摩擦系数随着振动振幅的增加先增加后减小,当切削速度vc=12m/min,振动振幅A=10μm时,摩擦系数最小。

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