引言

超声振动铣削是利用超声波使刀具在自转的同时进行高频振动
，将资料先击碎?再去除
，刀具与工件被加工表表断续接触
，有利于切削液的流动
，充分阐扬光滑冷却作用
，有效削减铣刀?切屑和工件间的摩擦
，大大降低被加工工件表表宏观切削力
，显著提高加工表表的精度和质量。该步骤被宽泛利用于钛合金?硬脆资料和纤维复合伙料等难加工资料的加工[1-3]。

钛合金因其优异的比强度?比刚度和耐侵蚀个性在航空航天领域有着宽泛的发展远景。但是
，由于钛合金导热系数幼?表表硬化严沉等原因
，在加工过程中易产生变形
，严沉影响其加工精度
，导致了钛合金零件委顿寿命的降低[4-5]。针对航空钛合金零件的抗委顿造作需要
，提出了选取旋转超声铣削步骤
，实现抗委顿造作
，为缩短钛合金零件的造作周期
，实显熹高精?高效?高质量加工提供理论凭据和技术支持。本文发展钛合金的基础铣削尝试
，并以基础尝试数据为凭据发展旋转超声铣削TC18钛合金委顿机能尝试钻研。

1、传统加工参数对钛合金表表粗糙度的影响

1.1尝试设计

为探索传统加工参数对钛合金表表粗糙度的影响以及明确后续钛合金委顿尝试尺度件的加工参数
，发展钛合金铣削正交尝试。钛合金铣削尝试在MCVL850数控加工中心上进行
，如图1所示。尝试所选取的超声设备为陕西智远业务有限公司出产的SY-2000高速旋转超声波加工系统
，如图1(a)所示。加工过程中
，通过调节超声电源来节造刀具振幅
，如图1(b)所示。振幅可选领域为0~4μm
，固定频率为20kHz。

尝试所用资料为TC18钛合金
，选取电火花线切割技术将钛板加工成12mm×12mm×5mm的方块试件
，数字模型及现实样件如图1(c)所示
，铣削刀具为AL-4E-D8.0硬质合金立铣刀。正交尝试主轴转速选择领域为2000r/min~5000r/min
，进给速度为60mm/min~90mm/min
，切削深度为0.2mm~0.5mm。具体铣削尝试参数如表1所示。

为了明确分歧加工工艺参数对钛合金表表粗糙度的影响法规
，拔取线概括粗糙度Ra作为粗糙度评价指标
，每组试件的表表随机丈量50次
，取50次丈量了局的均匀值作为该加工工况下表表粗糙度的尝试值。尝试选取KEYENCEVK-XX100状态丈量激鲜明微镜丈量拍摄
，状态丈量激鲜明微镜如图2所示。描摹观测前将试件放入盛有蒸馏水和无水乙醇的烧杯中利用超声波洗濯仪进行洗濯
，而后用吹风机吹干所有试件备用。

表1表表粗糙度正交尝试加工参数

1.2尝试了局与分析

1.2.1主轴转速对表表粗糙度的影响

进给速度为80mm/min?切削深度为0.3mm时
，主轴转速由2000r/min变动到5000r/min
，得到的主轴转速对钛合金表表粗糙度的影响法规如图3所示。由图3能够看出：随着主轴转速的增长
，试件表表粗糙度出现先减幼后增长的趋向
；主轴转速为2000r/min时
，表表粗糙度高达1.94μm
；当主轴转速增长至3000r/min和4000r/min时
，表表粗糙度别离降落至1.64μm和1.58μm
；然而当主轴转速增长到5000r/min时
，表表粗糙度值提高至1.72μm。

随着主轴转速的增长
，铣刀侧刃与切削工件的接触频率增长
，金属切削效能提高
，同时切削区温度变高
，使得表表金属层软化效应加剧
，积屑瘤削减
，塑性形变减幼
，试件表表粗糙度呈减幼趋向。然而
，当转速达到5000r/min时
，主轴转速靠近机床的极限转速
，导致机床加工的振动频率靠近加工系统的模态频率
，使得粗糙度沉新增长。因而后续钛合金铣削尝试的主轴转速确定为4000r/min。

1.2.2进给速度对表表粗糙度的影响

主轴转速为4000r/min?切削深度为0.3mm时
，进给速杜咨60mm/min变动到90mm/min
，得到的进给速度对表表粗糙度的影响法规如图4所示。由图4可知：随着进给速度增长
，表表粗糙度随之增长
；当进给速度为60mm/min?70mm/min和80mm/min时
，粗糙度别离为1.63μm?1.67μm和1.71μm
，粗糙度增长趋向较为平缓且均匀
；当进给速度增长至90mm/min时
，表表粗糙度出现较为显著的增长趋向
，此时粗糙度高达1.84μm。

随着进给速度的增长
，单元功夫内的径向切削深度增大
，使得资料去除率和切削力增长
，同时试件的残留面积增大
，导致表表粗糙度随着进给速度的增长而增长。当进给速度增长到90mm/min时
，切削过程中刀具对试件的旋转力矩以及进给方向冲击力相应增大
，使得加工前提产生恶化
，导致表表粗糙度增长幅度较大Ｋ伎嫉郊庸こ尚У牟槐湫砸约跋质倒こ瘫匾
，将后续钛合金铣削尝试的进给速度确定为80mm/min。

1.2.3切削深度对表表粗糙度的影响

主轴转速为4000r/min?进给速度为80mm/min时
，切削深杜咨0.2mm变动到0.5mm
，得到的切削深度对表表粗糙度的影响法规如图5所示。由图5能够看出：随着切削深度增长
，试件表表粗糙度出现先减幼后增长的趋向
；切削深度为0.2mm时
，表表粗糙度为1.65μm
；当切削深度增长至0.3mm时
，表表粗糙度略微降落
；当切削深杜咨0.3mm增长至0.4mm?0.5mm时
，表表粗糙度别离为1.63μm?1.73μm和1.77μm
，表表粗糙度出现增长趋向。

当切削深度为0.2mm时
，过幼的切削深度使刀具在已加工表表上挤压?打滑
，形成附加的塑性变形
，从而导致表表粗糙度较大。切削深度增长到0.3mm后
，挤压情况有所改善
，表表粗糙度也随之降低。切削深度持续增长后
，过大的切削深度会使单元功夫内切除的试件资料增长
，切削面积增大
，导致轴向切削力增长
，刀具因轴向力增大使得试件加工表表变形水平增长
，粗糙度增长。因而后续钛合金切削尝试的铣削深度确定为0.3mm。

2、旋转超声铣削钛合金委顿机能尝试钻研

2.1尝试设计

为探索超声能量的摄入对TC18钛合金抗委顿机能的影响法规
，发展主轴转速和超声电流的单成分对比尝试Ｋ伎即臣庸げ问灶押辖鹞偈倜挠跋
，委顿尝试试件加工过程中
，主轴转速为2000r/min?3000r/min?4000r/min
，超声电流为0?100mA
，进给速度80mm/min
，切削深度为0.3mm
，超声振动加载频率为20Hz。每组加工参数别离加工4块试件
，其中1块进行静拉伸尝试
，3块进行委顿寿命尝试。具体铣削尝试参数如表2所示
，加工试件和数字模型如图6所示
，试件尺寸为80mm×12mm×5mm。

表2钛合金的加工参数和委顿尝试参数

2.2尝试了局与分析

为确定钛合金委顿寿命尝试的具体设置参数
，对TC18钛合金委顿试件进行常温静力拉伸尝试
，以获得具体抗拉强度(St)。拉伸委顿尝试在walter+bai公司研造的LFV动态委顿尝试机上实现
，如图7所示。在拉伸委顿尝试机节造系统中使用单一模式
，选择位移节造的方式
，以0.02mm/s的加载速度进行尝试。静力拉伸尝试测得的试件抗拉强度St为1103MPa
，TC18钛合金的应力-位移曲线如图8所示。

为明确超声振动的冲击个性对航空钛合金抗委顿机能的影响法规
，对选取分歧加工参数加工的试样在如图7所示的拉伸委顿尝试机上别离进行拉伸委顿尝试Ｋ伎嫉筋押辖鹪诜苫械姆役工况
，拉伸委顿尝试选取应力节造大局
，应力比R=0.1
，加载波形为正弦波
，峰值应力为0.65St(717MPa)。对于TC18钛合金
，主轴转速对其委顿寿命的影响法规如图9所示。

由图9可知：随着主轴转速的增长
，通常铣削和超声铣削后迪胙合金委顿寿命均出现递增趋向
，但是在超声能量摄入的前提下
，TC18钛合金的委顿寿命出现显著的委顿强化效应
；相较传统铣削
，主轴转速为2000r/min时
，超声铣削可提高TC18钛合金委顿寿命11.1%
；主轴转速为3000r/min时
，超声能量场的摄入可提高TC18钛合金委顿寿命19.8%
；当主轴转速达到4000r/min时
，高频低幅的冲击振动可提高TC18钛合金委顿寿命28.5%
；对于传统铣削
，主轴转速由2000r/min提高到4000r/min时
，TC18钛合金委顿寿命提高了18.5%
；对于超声铣削
，主轴转速由2000r/min提高到4000r/min时
，TC18钛合金委顿寿命提高了37.0%。

产生上述景象的原因重要有以下两个方面：

(1)随着主轴转速的增长
，切削温度升高
，刀具磨损加剧
，轴向切削力增长
，刀具对加工表表的机械载荷作用逐步增大
，钛合金表表的机械强化作用加强
，晶粒产生细化
，形成较大的残存压应力层
，削减了钛合金表表的裂纹萌生源
，从而提高了钛合金委顿寿命
；此表
，随着主轴转速的增长
，钛合金中迪胙元素与空气中的氧元素和氮元素产生的反映越发强烈
，形成氮化钛和氧化钛薄膜
，加工表表产生脆化景象
，使得钛合金显微硬度增长
，进而降低了委顿裂纹萌生与扩大的速度
，提高了钛合金委顿寿命。

(2)由于超声加工的断续切削个性
，加工过程中刀具与试件表表的温升较幼
，切削温度降低
，热载荷引起的塑性凸出景象减弱
，残存拉应力削减
，残存压应力增长
，延缓了委顿裂纹的萌生与扩大
，进而提高了钛合金的委顿机能
；此表
，由于超声能量的摄入
，刀具对加工表表产生了强烈的机械冲击效应
，加工表表受到的机械强化作用加强
，表层区域晶粒细化越发显著
，显微硬度增长
，进而延缓了委顿裂纹的扩大
，使得钛合金委顿寿命增长。

3、结论

(1)发展了旋转超声铣削钛合金表表粗糙度钻研
，以粗糙度为评价指标
，明确了铣削钛合金最优工艺参数为：主轴转速4000r/min
，进给速度80mm/min
，切削深度0.3mm。

(2)发展了旋转超声加工对TC18钛合金委顿寿命的影响钻研。与通常铣削相比
，高频低幅的超声振动最大可提高TC18钛合金委顿寿命28.5%。

参考文件

[1]刘致君。旋转超声铣削机理分析及试验钻研[D].通辽：通辽科技大学
，2021:2-5.

[2]朱旭
，陈宏堃
，陈剑彬
，等。旋转超声磨削加工技术钻研进展[J].电加工与模具
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[3]刘佳佳
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，张德远。钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削切屑特点和刀具磨损钻研[J].机械工程学报
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[4]李锋
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，等。刀具走刀方式对TC11薄壁件铣削表表质量影响法规钻研[J].表表技术
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[5]张明亮
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，等。钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削机理和试验[J].北京航空航天大学学报
，2019,45(8):1606-1612.

（注
，原文标题：旋转超声铣削TC18钛合金委顿机能尝试钻研）