钛合金超声扭振铣削强度优化设计仿真

封志彬，童景琳



钛合金超声扭振铣削强度优化设计仿真

封志彬，童景琳

(河南理工大学机械动力与工程学院，河南焦作 454003)

钛合金具有比强度大、热传导率低等特点，对其进行强度优化设计仿真，可以提高其切削加工性能。运用Abaqus软件建立了二维超声扭振铣削模型，并采用John-cook分离准则、任意的拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)网格划分方法和施加相应边界等条件，根据刀-屑的周期分离原理，确立了接触率与角速度、振动频率和超声振幅之间的关系。此外，采用单因素法依次改变角速度、频率和振幅，以此进行强度优化设计仿真。结果表明，切削力和温度均随角速度的增加而增加；振幅的增大使得切削力有所降低，而温度却有所上升；频率的变化对两者影响不大。并得出结论：给定参数范围内，影响切削力的权重依次为振幅、角速度和频率；影响温度的权重依次为角速度、振幅和频率。

超声扭振；有限元仿真；钛合金

0 引言

难加工材料钛合金具有比强度大、硬度高和密度小等优点，因此广泛应用于航空航天等领域。但是，钛合金的热传导率较低，导致热量聚集在刀尖部，极易引起刀具的局部温度升高，从而加快了刀具的磨损。同时，随着航空零件的设计越来越复杂，工艺要求也越来越高，传统的金属切削加工方法已经无法满足这一要求。

超声辅助切削加工与普通切削加工相比，特别在难加工材料的加工过程中对于降低切削力和改善表面质量效果显著[1-4]。因此，超声辅助切削加工广泛应用于精加工、超精加工领域。目前的超声辅助加工的振动模式主要有一维超声纵振[5-8]、二维超声椭圆振动[9]、超声纵扭复合振动[10]和超声纵振侧铣代替超声扭振[11]等。其中，前两者主要应用于车削加工；而超声纵扭复合则主要用于铣削加工，但纵振的存在不可避免地迫使刀具后刀面要不断冲击工件表面，一定程度上影响了刀具的寿命尤其端铣难加工材料。超声纵振侧铣可近似替代超声扭振，对改善表面质量有一定的帮助，但并不是真正意义上的超声扭振切削。扭转振动是指在刀具施加扭振，不仅可以较好地实现铣削过程中刀-屑分离，而且有效避免了冲击。同时，为了获得超声铣削中各工艺参数对切削力和温度的影响，并进一步优化工艺参数。借助有限元软件Abaqus建立了超声铣削二维模型，分别得到了不同转速、振动频率和超声振幅对切削力和温度影响的趋势图；探讨了转速、振动频率和超声振幅对切削力和温度场的影响。

1 超声铣削扭振切削理论基础

1.1 超声铣削扭振加工过程运动分析

超声扭振加工与超声纵振加工的不同主要在于切削加工过程中，刀尖在切削旋转方向的平面内既要沿着轴线旋转又时时刻刻以一定的周向振幅周期振动。一旦铣削过程中扭振角速度大于铣削角速度，在某一个时刻刀具和切屑便分离，称之为分离型[9]；反之称之为不分离型，超声扭转振动铣削二维模型图如图1所示。

图1 超声扭转振动铣削二维模型

由图1可得刀具的周向振动位移为[10]

工件的位移为

则有：

1.2 超声铣削扭振加工过程接触率的分析

在超声扭振铣削加工过程中，影响接触率的因素有很多，其中主要的因素有转速、振动频率和超声振幅。为了避免浪费更多的精力从各个角度计算对切削力的影响，可以通过接触率的变化来直接判断各因素对切削力的影响。因此，接触率的研究十分有必要。

由此得到了接触率与角速度、振动频率和振幅之间的关系。为了更直观地表达接触率与三个变量之间的关系，固定其中任意两个变量，用Matlab求解并输出接触率随第三个变量的趋势图，分别得到了当振幅为0.000 571 rad、振动频率为35 kHz时，角速度对接触率的影响趋势图如图3所示；当角速度为41.88 rad·s-1、频率为35 kHz时，振幅对接触率的影响趋势图如图4所示；当角速度为41.88 rad·s-1、振幅为0.000 285 rad时，振动频率对接触率的影响趋势图如图5所示。

由图4和图5可知，随着振动频率和振幅的逐渐增大，接触率在逐渐减小；由图3可知，随着角速度的不断增大，接触率也逐渐增大。由此，可以将角速度、振动频率和超声振幅对切削力的影响转化为接触率对切削力的影响，这样就使问题变得更加直观和简明。

图2 扭转振动中刀具与工件的接触情况

图3 转速对接触率的影响趋势图