超声振动车削TC4钛合金的切削性能研究

传统车削技术作 为零件加工的一种重要手段 ，广泛用 于制 深入 ，但其瞬时切 削力变化规律仍不清楚 ，对超声振动 车削的切
造业 ，但在加工钛合金类热导率低 、弹性模量小等特点 的材料时 ， 削性能展开研究 ，有助于掌握超声振动车削加工机理『句。因此 ，采
常常 因为其高切削温度 、严重 回弹等 问题 ，制约加工效率ｌ１ｌ。
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＴＣ４ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ ｂｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｕｒｎｉｎｇ ＨＵ Ｚｈｉ－ｔｅ，ＱＩＮ Ｎａ，ＬＩＵ Ｆａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｉｅｈｕａｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
超声振动车削是在刀具上施加一定振幅的超高频振动，以脉冲形
刀具在 方向做简谐振动 ，频率 工件水平 向右匀速进给 ，
式切削工件 的加工技术 。在一个振动周期内刀具有效切 削时间 速度 且 小于刀具的最大振动速度 ２＂ｒｒｆＡ，否则在切削过程 中
短 ，大部分时间刀具与工件 、切屑处于分离状态 ，这种稳 定的切削 刀具将始终与切屑接触 ，不能实现有效 的振动切削 ，如图 １所示 。
分离特 『生可 以有效降低切削过程 中的切削力和切削温度 ，弥补传
为形象分析刀具运动轨迹 ，以工件为参 照物 ，将 刀具看作在
统 车削 的一些不足［２－３１。文献哗ｆ对镍铬铁合金材料开展超声振动 切削方 向上 以速度 向左进给的 同时叠加频率 厂的简谐振动 ，
车削实验 ，发现超声振动可以有效 改善加工表面质量 ，降低切 削 刀具切削速度可表示为 ： ＝ ＋２１Ｔ ·ｃｏｓ（２盯． ）
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机 械 设 计 与 制 造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第 ２期 ２０１８年 ２月
超声振动车削 ＴＣ４钛合金 的切 削性能研 究
胡智特 ，秦 娜 ，刘 凡
（西南交通大学 机械工程学 院，四川 成都 ６１００３ １）
摘 要 ：为 了探 究超声振动车削过程 中切 削力和切 削温度的变化规律 ，使 用 ＴｈｉｒｄｗａｖｅＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ切削仿真软件 ，基 于 ＰＯＷＥＲ—ＬＯＷ 本构模型和 ＡＬＥ网格划分方法建立 ＴＣ４钛合金 车削加工的有限元模型 ，获得传统车削与超声振动车削的 切 削力和最高切削温度 变化情况。结合超声振动车削中刀具切 削速度和位移 变化规律 ，对传统车削与超声振动车削的切 削力和最高切削温度 变化规律展开对比分析 ；探究超声振动 车削中的工件进给速度、刀具振频和振 幅对切削力的影响规 律 ，实现各加 工参数的最优组合 ，为实际加工提供参考。 关键词 ：振动车削 ；有限元仿真 ：切削力 ；ＴＣ４钛合金 中图分类号 ：ＴＨ１６；ＴＧ５０１ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００１—３９９７（２０１８）０２—０１６４—０３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｔｈａｔ ｐｅｏｐｌｅ ｄｏ ｎｏｔ ｍａｓｔｅｒ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａ ｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ
ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｕｒｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎ ｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｗ ａｖｅ Ａｄｖａｎｉｖｅ
用 专业切削仿真 软件 ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ开展超声振 动车削 ＴＣ４钛合
传统车削 中，刀具前刀面与切屑始终存在挤压与摩擦 ，导致 金材料的仿真实验 ，探究其加工机理 。
不规律的切削振动。研究发现 ，切削振动虽不利于零件加工，但一定 ２ 超声振动车削运动分析与建模
程度的切削振动可以降低切削功率和切削温度 ，减少切屑收缩１２／。 ２．１ 超声 振动 车削运 动分析
ｕｌｔｒａ ｓ ｏｎｉｃ ｖｉｂｒａ ｔｉｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒ ａｍｅｔｅｒｓ ｓｅｔ． Ｋｅｙ Ｗ ｏｒｄｓ：ＶｉｂｒａｔｉｏｎＴｕｒｎｉｎｇ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＣｕｔｔｉｎｇＦｏｒｃｅ；ＴＣ４Ｔｉｔａｎｉｕｍ ＡＨｏｙ
１ 引言
减小切屑宽度 。国内外学者对超声振动车削微观机理研究正不 断
ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＡＬＥ ｍ ｅ ｔｈｏｄ ｏｆｍ ｅ ｓｈｉｎｇ．ｗｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅ ｎｔ ｔｕｒｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＴＣ４ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ＣＵｌＷｅ ａ ｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａ ｔｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ｏ ｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａ ｓｓｉｓｔｅｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎ ｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｕｒｎｉｎｇ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｉ ｓｐｌａ ｃｅｍ ｅ ｎｔ ｏｆｔｏｏｌ ｉｎ ｕｌｔｒａ ｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａ ｔｉｏｎ ｔｕｒｎｉｎｇ，ｗｅ ｄｉｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａ ｔｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ ｓｏｎｉｃ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｕｒｎｉｎｇ．Ａｔ ｔｈｅ ｓｏ２ｎｅ ｔｉｍｅ ，ｗｅ ｄｉｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅ ｏ ｆｖｉｂｒａ ｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｍｐｌｉｔｕｄｅ∞ ｗｅｌｌ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ ｏｆ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ，ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ