航空航天難加工材料高速超聲波動(dòng)式切削方法

彭振龍，張翔宇，張德遠(yuǎn),*

1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083 2.北京航空航天大學(xué) 仿生與微納系統(tǒng)研究所，北京 100083

隨著航空航天裝備的性能需求和型號(hào)產(chǎn)量日益提高，實(shí)現(xiàn)難加工材料制造過程的高加工質(zhì)量、高加工效率已是題中之義。因?yàn)閮?yōu)良的物理機(jī)械性能，高溫合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼及復(fù)合材料等在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，但同時(shí)它們也被認(rèn)為是該領(lǐng)域的難加工材料。作為典型的難加工材料，鈦合金和高溫合金具有高比強(qiáng)度、高溫性能好、耐腐蝕性強(qiáng)等特性，被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、壓氣機(jī)盤、葉片、機(jī)匣的制造中(圖1)，其中高溫合金約占航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的50%。

圖1 鈦合金和高溫合金的應(yīng)用示例圖[3]Fig.1 Application example diagram of titanium alloy and high-temperature alloy[3]

表1所示為美國(guó)歷代戰(zhàn)斗機(jī)中各種材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，鈦合金的使用量總體呈上升趨勢(shì)，在F-22戰(zhàn)機(jī)中使用比例更是高達(dá)41%。同時(shí)，復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞等特性，其應(yīng)用和發(fā)展是大幅提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率、舒適性和環(huán)保性的重要保證，復(fù)合材料用量也是大型飛機(jī)先進(jìn)性和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)志。中國(guó)大型飛機(jī)發(fā)展規(guī)劃要求C919飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)23%。

與難加工材料用量大、需求高相矛盾的是，這類材料的優(yōu)良物理特性往往導(dǎo)致刀具磨損迅速、加工效率低以及切削區(qū)域的切削力和切削溫度高等諸多難題。例如，鈦合金和高溫合金作為典型的難加工合金，低導(dǎo)熱系數(shù)、高強(qiáng)度和高硬度等特性導(dǎo)致其可切削性極差，主要體現(xiàn)為刀具/工件切削界面切削溫度高、單位面積的切削力大和加工硬化傾向嚴(yán)重等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)導(dǎo)致鈦合金和高溫合金切削加工過程中的切削界面冷卻潤(rùn)滑很難達(dá)到最佳狀態(tài)、加工后的表面應(yīng)力不均且熱損傷區(qū)域較大。在實(shí)際武器裝備研制生產(chǎn)中，為實(shí)現(xiàn)加工表面完整和加工質(zhì)量可靠，就不得不降低切削速度，在穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行切削，很難實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)加工。因此，對(duì)于航空航天領(lǐng)域鈦合金、高溫合金及復(fù)合材料等典型難加工材料來說，主要“瓶頸”問題是如何在高切削速度下保證加工表面質(zhì)量。

表1 美國(guó)歷代戰(zhàn)斗機(jī)各種材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]

難加工材料的獨(dú)特物理特性決定了其實(shí)現(xiàn)高加工質(zhì)量、高加工效率的技術(shù)難度非常大。作為一種典型的特種加工技術(shù)，超聲加工在難加工材料制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在20世紀(jì)50年代，日本學(xué)者隈部淳一郎首先提出了刀具和工件周期性分離的振動(dòng)切削方法。后來通過對(duì)刀具上添加高頻率微米級(jí)的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切削。吉林工業(yè)大學(xué)(現(xiàn)吉林大學(xué))是國(guó)內(nèi)最早從事超聲加工技術(shù)的研究單位之一。最早超聲加工技術(shù)的超聲振動(dòng)方向?yàn)榫€性往復(fù)，也稱一維超聲振動(dòng)。多項(xiàng)研究表明，這類超聲加工過程中的刀具和工件分離能打開切削界面，從而在難加工材料的切削過程中實(shí)現(xiàn)降低切削力、降低切削溫度、延緩刀具磨損，改善表面質(zhì)量的工藝效果。除鈦合金、高溫合金及復(fù)合材料外，在生物組織切割中也得到了有效應(yīng)用。

劉立飛等使用DMG Ultrasonic70-5超聲加工中心對(duì)碳化硅陶瓷分別進(jìn)行了金剛石砂輪普通磨削和超聲振動(dòng)輔助磨削的試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，相比于普通磨削，超聲振動(dòng)磨削可以有效降低工件亞表面裂紋最大深度及密度，磨削力降低約33%，在進(jìn)給速度為150～550 mm/min時(shí)可以有效改善工件質(zhì)量和加工效率。Bai等通過數(shù)值模擬和加工試驗(yàn)證明：與普通車削相比，當(dāng)使用超聲振動(dòng)車削加工鈦合金時(shí)，已加工表面和切屑的平均晶粒尺寸更大且更均勻。同時(shí)，結(jié)果表明，切削和振動(dòng)參數(shù)對(duì)普通車削和超聲振動(dòng)車削中的平均晶粒尺寸的分布沒有明顯影響。

Shao等使用超聲振動(dòng)鉆削進(jìn)行復(fù)合材料CFRP/鈦合金疊層(復(fù)鈦疊層)制孔試驗(yàn)研究(如圖2所示，其中Edge A、Edge B表示鉆頭的切削刃，為軸向進(jìn)給速度)，重點(diǎn)關(guān)注了加工過程中的界面溫度和已加工表面的表面完整性。與普通鉆削相比，超聲振動(dòng)的最大界面溫度和超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(，約180 ℃)的持續(xù)時(shí)間分別降低了約22.8%、52.2%(圖3)。超聲振動(dòng)鉆削可以明顯降低復(fù)鈦疊層加工的熱損傷程度(圖4，其中為刀具轉(zhuǎn)速)，同時(shí)應(yīng)選擇高進(jìn)給速率和適中的主軸轉(zhuǎn)速，以最大化減輕熱損傷并確保復(fù)鈦疊層的加工效率。

圖2 超聲振動(dòng)鉆削示意圖[28]Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic vibration drilling [28]

圖3 普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削復(fù)鈦疊層切削溫度對(duì)比[28]Fig.3 Comparison of temperature in ordinary and ultrasonic vibration drilling for composite titanium laminates[28]

圖4 普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削復(fù)鈦疊層熱損傷對(duì)比[28]Fig.4 Comparison of thermal damage at interface of composite titanium laminate between ordinary drilling and ultrasonic vibration drilling [28]

此外，一種超聲頻振動(dòng)和刀具螺旋進(jìn)給的超聲振動(dòng)螺旋加工新模式在鈦合金和復(fù)合材料高質(zhì)加工方面得到了成功應(yīng)用(如圖5所示，其中，、、、分別為刀具轉(zhuǎn)速、偏心距、軸向每螺旋進(jìn)給量、軸向進(jìn)給速度)。與常規(guī)切削相比，超聲振動(dòng)螺旋加工切削力最多可降低71.3%。同時(shí)，超聲振動(dòng)螺旋加工復(fù)合材料CFRP得到的孔出口的分層因子降低了12.8%～25.7%，孔內(nèi)表面的表面粗糙度降低了51.9%～53.2%。

圖5 超聲振動(dòng)螺旋加工示意圖[32]Fig.5 Schematic diagram of helix ultrasonic vibration machining [32]

值得注意的是，由于一維直線超聲振動(dòng)切削的振動(dòng)方向和切削速度平行，為了實(shí)現(xiàn)刀具和工件的分離，適用的切削速度極低，通常不大于30 m/min，因此加工質(zhì)量的提升是以犧牲加工效率換取來的。

20世紀(jì)90年代，日本學(xué)者社本英二首次在國(guó)際上提出二維超聲振動(dòng)切削，即在切削速度和切削深度2個(gè)方向同時(shí)添加超聲振動(dòng)，由于其兩相合成運(yùn)動(dòng)軌跡類似橢圓，因此又稱為橢圓超聲振動(dòng)切削。隨后的研究表明，一維超聲振動(dòng)切削的切削力可降低至普通切削的1/5左右；而在間斷切削和摩擦力反向特性的同時(shí)作用下，在振動(dòng)頻率18.8 kHz下切削鋁合金時(shí)二維橢圓超聲振動(dòng)切削的切削力大大降低(約為普通切削的2%)，如圖6所示。在使用橢圓超聲振動(dòng)切削對(duì)鋁合金進(jìn)行超精密加工時(shí)，獲得了鏡面級(jí)的表面(表面粗糙度約為0.08 μm)。此外，橢圓超聲振動(dòng)切削也被用于加工鎳基高溫合金。Lu等使用橢圓超聲振動(dòng)車削來提高高溫合金Inconel 718的切削性能。試驗(yàn)結(jié)果表明在橢圓超聲振動(dòng)的幫助下，切削力、刀具磨損率、切屑尺寸均得到有效降低。Wang等發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用涂層硬質(zhì)合金刀具車削高溫合金Inconel 718時(shí)，通過在基面上使用橢圓超聲振動(dòng)可以獲得較低的切削力和切削溫度。

圖6 超聲振動(dòng)切削降低切削力效果[35]Fig.6 Effect of ultrasonic vibration cutting on reducing cutting force[35]

由于明顯的切削力降低特性，橢圓超聲振動(dòng)被廣泛用于微細(xì)切削(去除量小)和超精加工(精度高)領(lǐng)域，常被用來加工淬硬鋼、陶瓷、復(fù)合材料等硬脆性材料。為了提高淬硬鋼的可加工性，Ding等使用橢圓超聲振動(dòng)進(jìn)行淬硬鋼的微銑削，從而得出結(jié)論，借助橢圓超聲振動(dòng)可以獲得更好的表面質(zhì)量和更長(zhǎng)的刀具壽命，并且隨著振幅和頻率的增加，其優(yōu)勢(shì)將更加明顯。Wu等研究了二維超聲振動(dòng)輔助側(cè)銑，并提出間歇切削過程和切削力降低是由刀尖的軌跡引起的。Geng等研究了普通切削和橢圓超聲切削在不同進(jìn)給速度和切削速度下的切削溫度趨勢(shì)，結(jié)果表明，與普通切削相比，在75、150 μm/r的進(jìn)給速度下，橢圓超聲切削的切削溫度可以分別有效降低18.8%、13.1%；同時(shí)掃描電鏡照片顯示超聲橢圓切削可以獲得較好的顯微組織和加工質(zhì)量(圖7)。研究表明，切削力和扭矩的降低是超聲橢圓切削加工復(fù)合材料時(shí)獲得較高表面質(zhì)量的關(guān)鍵。三維橢圓振動(dòng)切削和二維橢圓振動(dòng)切削相似，同樣是通過設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)刀具與工件的分離。

圖7 不同進(jìn)給速度下加工質(zhì)量對(duì)比[43]Fig.7 Comparison of machining quality under different feed speeds[43]

然而，傳統(tǒng)的一維直線超聲振動(dòng)切削和二維橢圓振動(dòng)切削方法存在理論速度極限，因此超聲振動(dòng)提高加工表面質(zhì)量的效果都是在低速精細(xì)切削條件下獲得的。切削力降低、刀具壽命延長(zhǎng)以及表面質(zhì)量改善等優(yōu)勢(shì)隨著切削速度提高而減弱，這極大限制了超聲振動(dòng)切削方法的工程應(yīng)用，超聲振動(dòng)切削領(lǐng)域亟待實(shí)現(xiàn)高速精細(xì)切削應(yīng)用的突破。

針對(duì)難加工材料切削加工的效率和質(zhì)量難以兼顧的難題，難加工材料高速加工領(lǐng)域亟需解決切削溫度高、刀具磨損快的問題，進(jìn)而突破現(xiàn)有技術(shù)手段和技術(shù)參數(shù)的限制，大幅度改善難加工材料的機(jī)械加工性能，實(shí)現(xiàn)難加工材料的高效、精細(xì)、優(yōu)質(zhì)切削；同時(shí)，需要探索新的超聲振動(dòng)形式和機(jī)理，從根本上擺脫傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削理論的束縛，實(shí)現(xiàn)超聲加工技術(shù)的高速化應(yīng)用。

本文圍繞航空航天領(lǐng)域難加工材料的高質(zhì)高效加工需求，進(jìn)一步發(fā)掘超聲加工的應(yīng)用潛力，厘清高速超聲波動(dòng)式切削加工機(jī)理，以期更加科學(xué)合理地利用這種新型加工方法，為高速超聲波動(dòng)式切削工藝能力的挖潛與發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 高速超聲波動(dòng)式切削機(jī)理

為解決難加工材料切削性能差、加工質(zhì)量低、刀具磨損快等亟待解決的工程問題，以及傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削技術(shù)亟待突破的理論速度極限問題，北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)課題組從2014年起提出了高速超聲波動(dòng)式切削(High-speed Ultrasonic Vibration Cutting, HUVC) 新技術(shù)，為難加工材料的高質(zhì)高效加工開辟了可行的技術(shù)途徑。在發(fā)展超聲振動(dòng)切削技術(shù)的前提下，解決難加工材料高速精細(xì)切削中加工質(zhì)量、刀具磨損、切削溫度等問題，為難加工材料的高效精細(xì)切削和超聲振動(dòng)切削技術(shù)高速化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

區(qū)別于傳統(tǒng)的超聲振動(dòng)切削過程，在高速超聲波動(dòng)式切削過程中，刀具沿進(jìn)給方向進(jìn)行超聲振動(dòng)，如圖8所示。

圖8中，、分別為切削速度和進(jìn)給量；、分別為超聲振幅、超聲頻率。刀具和工件能夠?qū)崿F(xiàn)周期性的分離作用從而打開切削界面，使得冷卻液可以浸潤(rùn)切削界面并實(shí)現(xiàn)降力降熱的可能。試驗(yàn)研究表明，在保證工件質(zhì)量在精加工范疇內(nèi)，鈦合金的切削速度可提升至400 m/min，并使刀具壽命提高7.3倍。

圖8 一維傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削、二維橢圓超聲振動(dòng)切削和高速超聲波動(dòng)式切削對(duì)比示意圖[49]Fig.8 Comparison diagram of one-dimensional ultrasonic vibration cutting, two-dimensional elliptical ultrasonic vibration cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[49]

圖9 高速超聲波動(dòng)式切削N-1轉(zhuǎn)切削后在進(jìn)給方向形成的輪廓曲線示意圖[49]Fig.9 Schematic diagram of contour curve formed in feed direction after N-1 revolutions high-speed ultrasonic vibration cutting[49]

1.1 波動(dòng)分離機(jī)理：高速分離

高速超聲波動(dòng)式切削中刀具與工件是否分離由切削軌跡與已切削形成的表面輪廓之間的相互位置關(guān)系決定。下面的論述以車削加工為例。如圖9所示，切削刃第-1轉(zhuǎn)切削后在進(jìn)給方向形成的輪廓曲線是切削刃的前若干轉(zhuǎn)切削共同作用的結(jié)果，為進(jìn)給方向的坐標(biāo)，為工件旋轉(zhuǎn)角度。普通切削和傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削的切削刃軌跡及已形成的形貌輪廓關(guān)系比較簡(jiǎn)單，可以在一轉(zhuǎn)切削中討論確定，而高速超聲波動(dòng)式切削一轉(zhuǎn)切削后在進(jìn)給方向上形成的輪廓并不是由上一轉(zhuǎn)切削軌跡單一決定的，而是由之前若干轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)耦合而成。在之前的若干轉(zhuǎn)切削軌跡各點(diǎn)重合處進(jìn)給方向的最小值即為刀具第-1轉(zhuǎn)切削后在進(jìn)給方向形成的輪廓曲線的最終值。所以一個(gè)超聲振動(dòng)周期形成的進(jìn)給方向的輪廓曲線()可以表示為

(1)

式中：為影響第-1轉(zhuǎn)切削后進(jìn)給方向輪廓曲線-1的切削軌跡數(shù)量，受相位差、進(jìn)給量與超聲振動(dòng)振幅的比值2個(gè)因素影響；-為刀具在第-轉(zhuǎn)的切削軌跡。當(dāng)相位差經(jīng)過一個(gè)周期后，進(jìn)給方向輪廓重復(fù)出現(xiàn)。

另外，如果當(dāng)?shù)?轉(zhuǎn)的切削刃軌跡與第轉(zhuǎn)切削的切削刃軌跡不相交，則第轉(zhuǎn)切削的軌跡對(duì)第+轉(zhuǎn)切削后形成的輪廓曲線+必然也不會(huì)有影響。為了方便分析，將進(jìn)給系數(shù)定義為進(jìn)給量和超聲振動(dòng)振幅的比值，即

(2)

所以的最大值可以表示為

(3)

式中:為頻轉(zhuǎn)比，即超聲振動(dòng)頻率和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的比值；INT(·)為取整函數(shù)。

考慮到必須為整數(shù)，而且其受到相位差和進(jìn)給系數(shù)的雙重影響，為不失一般性，式(3)修正為

(4)

式中：為單位相位長(zhǎng)度內(nèi)包含的軌跡數(shù)；為單位進(jìn)給長(zhǎng)度內(nèi)包含的軌跡數(shù)；為相位差。

第轉(zhuǎn)切削時(shí)切削刃的軌跡和第-1轉(zhuǎn)切削后形成的輪廓曲線的差值為

=()--1()

(5)

要實(shí)現(xiàn)刀具在進(jìn)給方向與工件分離，則第轉(zhuǎn)切削時(shí)切削刃軌跡曲線和第-1轉(zhuǎn)切削后形成的表面輪廓曲線必須相交。所以

-2+<0

(6)

第轉(zhuǎn)切削時(shí)切削刃軌跡曲線和第-1轉(zhuǎn)切削后形成的輪廓曲線可能相交，刀具和工件在進(jìn)給方向可能實(shí)現(xiàn)分離，如圖10所示。

相位差用表示，并且=2π(-INT())。要保證刀具在相鄰的第轉(zhuǎn)和第-1轉(zhuǎn)切削過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡相位差在一定的取值范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)刀具和工件的分離。相位差取值范圍的臨界狀態(tài)為切削刃在相鄰的第轉(zhuǎn)和第-1轉(zhuǎn)切削過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡相切。那么，此時(shí)相鄰兩轉(zhuǎn)切削的切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡方程關(guān)系可表示為

圖10 高速超聲波動(dòng)式切削的分離條件[49]Fig.10 Separation criterion of high-speed ultrasonic vibration cutting [49]

(7)

將式(6)代入式(7)，解得

(8)

綜上，高速超聲波動(dòng)式切削實(shí)現(xiàn)分離的臨界參數(shù)為

(9)

高速超聲波動(dòng)式切削的分離條件由進(jìn)給量、超聲振動(dòng)振幅、相鄰兩轉(zhuǎn)切削軌跡的相位差這3個(gè)參數(shù)共同決定。其中，進(jìn)給量和振幅是常見變量，而相位差對(duì)于高速超聲波動(dòng)式切削尤為重要。

值得注意的是，高速超聲波動(dòng)式切削實(shí)現(xiàn)分離的臨界條件和切削速度無關(guān)，因此在合理設(shè)置參數(shù)的條件下，高速超聲波動(dòng)式切削可在任意切削速度下實(shí)現(xiàn)刀具和工件的分離，這為高速超聲波動(dòng)式切削實(shí)現(xiàn)難加工材料的高質(zhì)高效切削提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

1.2 形貌控制機(jī)理：相位可控

相位差對(duì)于高速超聲波動(dòng)式切削尤為重要，它決定著刀具軌跡從而直接影響已加工表面的加工精度和表面質(zhì)量。要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高速超聲波動(dòng)式切削過程(即刀具和工件周期性地穩(wěn)定分離，加工表面形貌完整規(guī)則，表面粗糙度可控)，必須要控制切削過程中的相位差穩(wěn)定。

相位差和頻轉(zhuǎn)比有關(guān)，也即和超聲振動(dòng)的頻率、主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率有關(guān)

(10)

式中：、分別為的整數(shù)和小數(shù)部分。式(10)表明，要保證相位差的穩(wěn)定，需要超聲振動(dòng)頻率與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率嚴(yán)格同步。但主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率存在跳動(dòng)。由于遠(yuǎn)大于，所以主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的微小變化都會(huì)引起整數(shù)部分和小數(shù)部分的巨變，從而造成切削狀態(tài)、表面形貌和表面粗糙度的不可控。為使相位差在主軸跳動(dòng)中保持不變，要求換能器的激振頻率與主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率同步變化，即要滿足

(11)

式中：Δ為主軸的頻率跳動(dòng)范圍；Δ為換能器的頻率調(diào)整范圍，且滿足

Δ=·Δ

(12)

為解決相位控制的問題，一種閉環(huán)直接數(shù)字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)控制換能器振動(dòng)的方法被提出。如圖11所示，DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成技術(shù)，由時(shí)鐘、相位增量寄存器和相位累加器組成。在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，相位增量寄存器中的內(nèi)容與相位累加器中的內(nèi)容進(jìn)行一次累加運(yùn)算，將和的最高進(jìn)位輸出。改變的值，即可改變輸出的頻率，可表示為

(13)

式中：為頻率控制字；為時(shí)鐘基準(zhǔn)，在給定的條件下，通過設(shè)定不同的頻率控制字，就可得到相應(yīng)的頻率輸出；為有效字長(zhǎng)，其與時(shí)鐘基準(zhǔn)決定了輸出頻率的范圍。通常情況下，時(shí)鐘基準(zhǔn)直接由晶體振動(dòng)器產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)，DDS是一個(gè)開環(huán)的數(shù)字系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)精密數(shù)字掃頻功能。

圖11 直接數(shù)字合成器原理示意圖Fig.11 Schematic diagram of principle of direct digital synthesizer

在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率變化時(shí)，為了讓直接數(shù)字合成器的輸出頻率按照式(11)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。編碼器的輸出信號(hào)是一個(gè)反映主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的高頻脈沖信號(hào)，將其作為數(shù)字合成器的時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)(圖12)。此時(shí)，時(shí)鐘基準(zhǔn)不是一個(gè)固定值，其時(shí)刻跟隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化而變化，進(jìn)而輸出頻率在頻率控制字不變的情況下，也跟隨主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率同步變化，輸出頻率和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的比值保持不變，從而保證了相位差的恒定。

圖12 閉環(huán)相位控制原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of closed-loop phase control principle

1.3 表面提質(zhì)機(jī)理：切擠一體

高速超聲波動(dòng)式切削由于刀具在進(jìn)給方向的運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線，所以其進(jìn)給方向的切削量(即切削厚度)、切削前角和后角并不是固定的，而是隨著切削軌跡動(dòng)態(tài)變化的。這種情況與橢圓超聲振動(dòng)由于刀具切深方向的振動(dòng)形成了類正弦曲線軌跡而存在變角度切削特性相類似。圖13是不考慮切削刃鈍圓的理想狀況下高速超聲波動(dòng)式切削變角切削過程。

圖13 高速超聲波動(dòng)式切削厚度和切削角度的動(dòng)態(tài)變化[51]Fig.13 Dynamic changes of cutting thickness and cutting angle in high-speed ultrasonic vibration cutting [51]

從圖13中可以看出，高速超聲波動(dòng)式切削是一種周期性切入和切出工件材料的加工方法。其一個(gè)切削周期存在3個(gè)階段：—為切入階段，—為切出階段，—為空切階段。下面先對(duì)一個(gè)超聲振動(dòng)切削周期內(nèi)的切削厚度進(jìn)行分析。在切入階段，刀具從點(diǎn)開始切入工件，然后切削厚度隨時(shí)間逐漸變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)切削最深點(diǎn)時(shí)，切削厚度達(dá)到了最大值，此后刀具開始切出工件。在切出階段，刀具從點(diǎn)開始，切削厚度逐漸減小，但沿著切削厚度方向的速度逐漸增大，當(dāng)該方向速度大于切屑流出速度時(shí)，刀具前刀面與切屑的摩擦力會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而有助于切屑的排出。當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到點(diǎn)時(shí)此振動(dòng)切削周期中的切削過程結(jié)束，刀具與工件、切屑分離，切削厚度減小到零，刀具進(jìn)入空切階段，直到從點(diǎn)再次切入，開始下一周期的重復(fù)切削運(yùn)動(dòng)。

高速超聲波動(dòng)式切削的一個(gè)切削周期內(nèi)刀具的前角和后角也會(huì)發(fā)生周期性變化。在切入階段—，刀具的動(dòng)態(tài)工作前角大于刀具理論前角，動(dòng)態(tài)后角小于理論后角。刀具在切入點(diǎn)時(shí)，前角達(dá)到切削周期內(nèi)的最大值，后角達(dá)到最小值。只有在—切入階段，刀具的后刀面承受摩擦力，相比于普通切削，這樣可以有效地緩解后刀面切削摩擦，降低后刀面磨損。在切出階段—，刀具動(dòng)態(tài)前角逐漸減小甚至出現(xiàn)負(fù)進(jìn)給前角的情況，動(dòng)態(tài)后角逐漸增大并可能大于其名義后角。當(dāng)達(dá)到切出點(diǎn)時(shí)，前角達(dá)到最小值，后角達(dá)到最大值。那么在高速超聲波動(dòng)式切削的一個(gè)切削周期中，刀具的動(dòng)態(tài)角度為

(14)

由以上分析可知，高速超聲波動(dòng)式切削的切削厚度是周期性增大和減小的，刀具工作角度同樣也是周期性變化的。工作前角變動(dòng)的頻率和幅度對(duì)切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有很大的影響，相比于固定前角的切削系統(tǒng)，周期性變化的刀具工作前角可以有效地提高切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制顫振。

另外，在切入階段，刀具動(dòng)態(tài)后角可能出現(xiàn)小于零的情況(出現(xiàn)負(fù)后角現(xiàn)象)，這時(shí)刀具后刀面和工件間會(huì)發(fā)生干涉，產(chǎn)生擠壓效果。當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)磨損時(shí)刀具后角可記為0°，此時(shí)高速超聲波動(dòng)式切削肯定會(huì)出現(xiàn)負(fù)后角。

2 高速超聲波動(dòng)式切削工藝效果

2.1 改善切削加工性

和低頻振動(dòng)加工類似，高速超聲波動(dòng)式切削同樣具有間斷切削的特性，在占空比小于1時(shí)具有斷屑特性。此外，當(dāng)以高切削速度加工鈦合金、高溫合金、淬硬鋼等難加工材料時(shí)高速超聲波動(dòng)式切削可有效降低切削力、降低切削溫度、抑制顫振和提高加工精度，進(jìn)而改善難加工材料的切削加工性。

Peng等將高速超聲波動(dòng)式切削用于加工鈦合金薄壁筒。對(duì)于普通切削，當(dāng)加工厚度較薄的工件時(shí)，較小的切削厚度不會(huì)去除材料(讓刀/欠切)，如果增加切割厚度，則會(huì)發(fā)生顫振。但是，對(duì)于高速超聲波動(dòng)式切削而言，系統(tǒng)發(fā)生顫振的臨界切削厚度要比普通切削更大。而且，高速超聲波動(dòng)式切削的動(dòng)態(tài)切削厚度特性可在一定條件下去除材料。因此提高了顫振的穩(wěn)定性和加工精度。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，相比于普通切削，高速超聲波動(dòng)式切削在加工鈦合金薄壁件時(shí)的優(yōu)勢(shì)是明顯的：① 高速超聲波動(dòng)式切削可有效降低切削力(圖14)；② 運(yùn)用高速超聲波動(dòng)式切削可制造出厚度僅為0.6 mm的薄壁件，尺寸誤差由原來的50%以上降至10%以下(圖15)；③ 對(duì)于不同厚度的鈦合金薄壁件，表面粗糙度降低了11.7%～20.4%。

圖14 普通切削(CC)與高速超聲波動(dòng)式切削(HUVC)的切削力對(duì)比[57]Fig.14 Comparison of cutting force between Conventional Cutting (CC) and High-speed Ultrasonic Vibration Cutting (HUVC)[57]

Peng 等在高速切削鎳基高溫合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，與普通切削相比，高速超聲波動(dòng)式切削憑借其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特性可以在任何切削速度下實(shí)現(xiàn)間斷切削，并且可以擴(kuò)大硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用范圍。當(dāng)高速切削高溫合金時(shí)，切削力最多降低32.59%。與普通切削相比，高速超聲振動(dòng)切削可以通過間斷切削和后刀面冷卻液的冷卻效果，使高溫合金切削溫度降低約20%(如圖16所示，其中Flood表示冷卻液壓力為5 bar(1 bar=0.1 MPa)的普通冷卻條件，為冷卻液壓力)。

Lu等在高速切削鈦合金時(shí)發(fā)現(xiàn)在高速超聲波動(dòng)式切削和高壓冷卻的協(xié)同作用下，切削溫度顯著降低，如圖17所示。主要原因是高速超聲波動(dòng)式切削的分離效果使高壓流體進(jìn)入切削區(qū)域。與普通切削相比，高速超聲波動(dòng)式切削在300 m/min的切削速度下最高降溫幅度可達(dá)到55%。此外，更高的冷卻液壓力會(huì)引起更大的切削溫度降低。

圖15 普通切削與高速超聲波動(dòng)式切削的加工精度 對(duì)比[57]Fig.15 Comparison of machining accuracy between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[57]

圖16 普通切削與高速超聲波動(dòng)式切削加工高溫合金的切削溫度對(duì)比[58]Fig.16 Comparison of cutting temperature between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of superalloys[58]

圖17 普通切削與高速超聲波動(dòng)式切削加工鈦合金的切削溫度對(duì)比[50]Fig.17 Comparison of cutting temperature between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of titanium alloy[50]

2.2 改善刀具壽命

難加工材料的切削極易引起刀具過快磨損，切削速度越高，刀具磨損越劇烈，這也直接導(dǎo)致了加工效率降低、加工成本增加，這個(gè)問題在高速切削加工情形下顯得尤為突出。與高速車削相比，高速銑削的切削溫度和刀具磨損情況都有明顯的改善，這得益于其斷續(xù)切削的形式使刀具可以得到更充分的冷卻。高速超聲波動(dòng)式切削是一種更高頻的斷續(xù)切削形式，因此在刀具磨損和壽命方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

加工鈦合金時(shí)，高速超聲波動(dòng)式切削相比于普通切削可獲得更長(zhǎng)的刀具壽命。在普通冷卻條件下，刀具壽命提升3倍左右，如圖18所示。由于高壓冷卻可大幅降低切削溫度和減少刀具磨損，在高壓冷卻和高速超聲波動(dòng)式切削協(xié)同作用下加工鈦合金時(shí)，刀具壽命至多提升7倍(圖19)，同時(shí)可獲得更高的切削速度。

圖18 普通切削與高速超聲波動(dòng)式切削加工鈦合金的刀具壽命對(duì)比(切削速度:200 m/min，普通冷卻條件)[49]Fig.18 Comparison of tool life between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of titanium alloy (cutting speed: 200m/min, ordinary cooling conditions)[49]

圖19 普通切削與高速超聲波動(dòng)式切削加工鈦合金的刀具壽命對(duì)比(切削速度:400 m/min，高壓冷卻條件)[50]Fig.19 Comparison of tool life between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of titanium alloy (cutting speed: 400 m/min, high-pressure cooling conditions)[50]

Peng等在使用硬質(zhì)合金刀具高速切削鎳基高溫合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)高速超聲波動(dòng)式切削可有效延緩刀具磨損提升刀具壽命，如圖20所示。

圖20 高壓冷卻條件下普通切削與高速超聲波動(dòng)式切削高溫合金的刀具壽命對(duì)比[58]Fig.20 Comparison of tool life between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of high-temperature alloys under high-pressure cooling conditions[58]

在保證相同刀具壽命的前提下，相比于普通切削80 m/min的切削速度，高速超聲波動(dòng)式切削的切削速度可提高3倍左右(240 m/min)，如圖21所示，其中表示切削液壓力。當(dāng)切削速度為80 m/min時(shí)，高速超聲波動(dòng)式切削的刀具壽命為普通切削的3倍左右(圖22)。

高速超聲波動(dòng)式切削可以降低刀具磨損率，提高刀具的耐用度。硬質(zhì)合金刀具高速超聲波動(dòng)式切削的主要磨損機(jī)理是熱力耦合作用下的磨粒磨損、黏結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損；高速超聲波動(dòng)式切削由于提高了刀具壽命，因此在同等刀具壽命下，可以在更大的切削速度下進(jìn)行加工，有效提高了材料去除率和加工效率；但隨著切削速度的升高，高速超聲波動(dòng)式切削的等效速度提升緩慢，材料去除率增幅變緩，優(yōu)勢(shì)逐漸減小。

圖21 切削加工高溫合金時(shí)普通切削與高速超聲波動(dòng)式切削刀具壽命隨切削速度變化[58]Fig.21 Tool life changes with cutting speed during conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of high-temperature alloys[58]

圖22 切削加工高溫合金時(shí)普通切削與高速超聲波動(dòng)式切削刀具磨損隨切削長(zhǎng)度變化[58]Fig.22 Tool wear changes with cutting distance during conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of high-temperature alloys[58]

2.3 改善表面完整性

零部件的表面完整性直接影響著其使役性能(如疲勞性能、耐磨損性能和耐腐蝕性能),這一點(diǎn)已經(jīng)逐漸受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)同，尤其是對(duì)高附加值及產(chǎn)品可靠性要求較高的行業(yè)。在航空航天工業(yè)中，表面完整性是評(píng)價(jià)零部件加工表面質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一。表面完整性不僅包括表面形貌特征，還包括物理及冶金特性，如殘余應(yīng)力、顯微硬度、亞表面微結(jié)構(gòu)等。

圖23 不同切削狀態(tài)下表面形貌圖(放大100 倍，φ為相位差的取值)[76]Fig.23 Surface topography in different cutting conditions (magnification 100 times, φ represents the value of phase shift)[76]

圖23為普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削在開環(huán)和閉環(huán)控制下得到的已加工表面形貌。在開環(huán)DDS控制模態(tài)下，圖23(a)中的凹坑排列雜亂無序，其表面粗糙度=0.785 μm。當(dāng)采用閉環(huán)DDS控制時(shí)，在圖23(b)中，表面凹坑排列整齊有序，相鄰兩圈的凹坑排列相位差為常數(shù)。因此閉環(huán)DDS控制能夠控制表面的尖點(diǎn)高度，從而優(yōu)化了表面質(zhì)量，表面粗糙度可達(dá)到0.303 μm，接近圖23(c)所示的普通切削表面質(zhì)量(=0.204 μm)。在普通切削后形成的表面呈現(xiàn)等距相間的規(guī)則溝槽，故而表面形貌最穩(wěn)定。圖23(d)～圖23(f)分別為相位差=π/3,2π/3,3π/4 條件下閉環(huán)DDS控制模式下的表面形貌。表面粗糙度跟隨相位差變化的趨勢(shì)并不能僅僅通過任取給定的兩點(diǎn)的變化來判斷。不同相位差下，工件的表面質(zhì)量形貌雖然依舊排列規(guī)則整齊，但其表面粗糙度會(huì)發(fā)生波動(dòng)，其數(shù)值介于開環(huán)DDS 控制模式和普通切削之間。在試驗(yàn)所示的條件下，相位差為2π/3 時(shí)，表面粗糙度=0.212 μm，接近普通切削表面。

刀具狀態(tài)直接影響零部件的表面完整性，當(dāng)使用新刀(后刀面磨損為0)加工鎳基高溫合金時(shí)，高速超聲波動(dòng)式切削獲得的表面粗糙度和普通切削獲得的表面粗糙度大致相等。同時(shí)，高速超聲波動(dòng)式切削獲得了規(guī)律的表面微織構(gòu)，而普通切削具有明顯的直線進(jìn)給條紋(圖24)。當(dāng)使用磨損的刀具時(shí)，高速超聲波動(dòng)式切削相比于普通切削獲得了較低的表面粗糙度，如圖25、圖26所示，其中為切削速度，、分別為微觀不平度十點(diǎn)高度和輪廓峰谷總高度。

除了表面粗糙度的降低，由于間斷切削特性以及刀具負(fù)后角現(xiàn)象的存在，相比于普通切削，高速超聲波動(dòng)式切削在加工鎳基高溫合金時(shí)獲得了更高的表面硬度(圖27)、更高的表面壓縮殘余應(yīng)力(圖28)以及更厚的亞表面變形層(圖29)。

圖24 普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削使用新刀獲得的已加工表面形貌對(duì)比(切削速度:160 m/min,高壓冷卻條件)[58]Fig.24 Comparison of machined surface morphology obtained by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting using a new tool(cutting speed: 160 m/min, high-pressure cooling conditions)[58]

圖25 高壓冷卻條件下普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削使用磨損刀具獲得的已加工表面形貌對(duì)比[59]Fig.25 Comparison of machined surface morphology obtained by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting using worn tools under high-pressure cooling conditions[59]

圖26 高壓冷卻條件下普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削使用磨損刀具獲得的表面粗糙度對(duì)比[59]Fig.26 Comparison of surface roughness obtained by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting using worn tools under high-pressure cooling conditions[59]

當(dāng)高速切削鈦合金時(shí)，相比于普通切削，高速超聲波動(dòng)式切削同樣獲得了更高的表面硬度和表面壓縮殘余應(yīng)力，以及更厚的亞表面變形層(圖30，其中、分別為進(jìn)給速度方向和切削深度方向的振幅，為切削速度)。同時(shí)，相比于鈦合金基體材料(圖31(a)、圖31(b))、普通切削(圖31(c)、圖31(d))，高速超聲波動(dòng)式切削(圖31 (e)、圖31(f))呈現(xiàn)出納米顯微結(jié)構(gòu)，說明高速超聲波動(dòng)式切削具有表面強(qiáng)化功能。這些表面完整性的改善有益于零部件使役性能的提升。

圖27 普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削加工鎳基高溫合金表面硬度對(duì)比[59]Fig.27 Comparison of surface hardness of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

圖28 普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削加工鎳基高溫合金表面殘余應(yīng)力對(duì)比[59]Fig.28 Comparison of residual stress on surface of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

圖29 普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削加工鎳基高溫合金亞表面變形層對(duì)比[59]Fig.29 Comparison of subsurface deformation layers of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

圖30 普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削加工鈦合金亞表面變形層對(duì)比[78]Fig.30 Comparison of titanium alloy subsurface deformation layers processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[78]

研究表明，當(dāng)加工鈦合金疲勞樣件時(shí)，相比于普通切削，使用高速超聲波動(dòng)式切削可獲得更高的表面硬度和表面壓縮殘余應(yīng)力，以及更厚的亞表面變形層(圖32)。通過拉伸疲勞試驗(yàn)可知，相比于普通切削，使用高速超聲波動(dòng)式切削獲得的試件疲勞壽命可提高10.4倍。經(jīng)過疲勞斷口分析，可以看出普通切削的疲勞裂紋源在試件表面(圖33)，而高速超聲波動(dòng)式切削的疲勞裂紋源在試件亞表面(圖34)。

圖31 鈦合金基體、普通切削及高速超聲波動(dòng)式切削的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)比[77]Fig.31 Microstructure comparison of titanium alloy matrix, conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[77]

圖32 普通切削和高速超聲波動(dòng)式切削加工疲勞樣件亞表面變形層對(duì)比[73]Fig.32 Comparison of subsurface deformation layers of fatigue samples machined by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[73]

圖33 普通切削加工樣件疲勞裂紋源[73]Fig.33 Fatigue crack source of conventional cutting-machined samples[73]

圖34 高速超聲波動(dòng)式切削加工樣件疲勞裂紋源[73]Fig.34 Fatigue crack source of high-speed ultrasonic vibration cutting-machined samples[73]

3 結(jié) 論

1) 高速超聲波動(dòng)式切削這一超聲加工新模式可有效降低切削力和切削熱、延長(zhǎng)刀具壽命，為實(shí)現(xiàn)鈦合金、鎳基高溫合金、復(fù)合材料等難加工材料的高質(zhì)加工提供了有效途徑。

2) 通過合理設(shè)置參數(shù)，高速超聲波動(dòng)式切削可在任意切削速度下實(shí)現(xiàn)刀具和工件的分離。同時(shí)，已證明的降力降溫特性為改善難加工材料切削加工性提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3) 高速超聲波動(dòng)式切削可有效提高刀具壽命，具體表現(xiàn)為：在保證工件質(zhì)量在精加工范疇內(nèi)，鈦合金的切削速度可提升至400 m/min并使刀具壽命提高7倍，鎳基高溫合金的切削速度可提升至240 m/min并使刀具壽命提高3倍。

4) 高速超聲波動(dòng)式切削可實(shí)現(xiàn)相位可控，這為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化切削、保證加工質(zhì)量和提升加工效率提供了有力保障。

5) 高速超聲波動(dòng)式切削可有效改善表面完整性。具體表現(xiàn)為：降低表面粗糙度、增加零件表面硬度和壓縮殘余應(yīng)力、增加亞表面變形層厚度等。

當(dāng)前，高速超聲波動(dòng)式切削方法在改善難加工材料切削加工性和表面完整性方面取得初步應(yīng)用。在未來研究中，需要對(duì)硬度和殘余應(yīng)力分布、零部件使役性能等方面進(jìn)行深入研究，為航空航天難加工材料的高性能制造提供支撐。