Ti–6Al–4V（TC4）鈦 合 金 具 有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性優(yōu)良和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)異的機(jī)械性能，在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，這對(duì)其表面加工質(zhì)量也提出了較高的要求[1–2]。

微銑削加工是制備微型部件的一種高效靈活的機(jī)械加工方法。然而，由于鈦合金具有高化學(xué)親和力、低彈性模量、低導(dǎo)熱率，在銑削加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)切削力過大、切削溫度過高、粘刀、刀具磨損、產(chǎn)生毛刺、表面粗糙度差等問題，亟須提升其銑削加工性能[3–5]。

在銑削加工過程中，鈦合金較低的導(dǎo)熱率導(dǎo)致切削區(qū)域集聚大量的切削熱，從而加速刀具磨損與積屑瘤形成。此外，鈦合金較高的塑性延展性使其切屑極易與刀具黏附，也會(huì)加速刀具磨損，從而降低加工表面質(zhì)量。大量研究表明，采用超聲振動(dòng)輔助手段可以有效地提升多種難加工材料的切削加工性能。在超聲振動(dòng)輔助銑削加工中，通過對(duì)工件或刀具施加高頻、微量的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)間歇式切削，其伴隨的刀具 – 切屑高頻周期性分離可以有效地降低切削力、切削熱和刀具磨損，從而提升加工表面質(zhì)量[6–8]。目前，常用的超聲振動(dòng)輔助銑削加工方式分為工件的水平或垂直振動(dòng)、刀具的一維縱向振動(dòng)以及刀具的二維縱扭復(fù)合振動(dòng)。中國地質(zhì)大學(xué) Xu 等[9] 發(fā)現(xiàn)對(duì)工件施加一維水平超聲振動(dòng)可以使TC4鈦合金銑削加工的切削力與常規(guī)銑削相比降低 17%，還可以有效地減少TC4加工表面缺陷和加工痕跡，從而提高表面質(zhì)量。然而，工件質(zhì)量較大使其對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的振幅和頻率具有較大的限制，目前超聲振動(dòng)輔助銑削的研究主要集中在對(duì)質(zhì)量較小的刀具施加振動(dòng)這種方式。長春理工大學(xué) Liu等[10] 開展了刀具一維縱向超聲振動(dòng)輔助銑削加工TC4鈦合金的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)銑削相比，超聲振動(dòng)輔助銑削可以有效減小刀具磨損和毛刺生成，還可以降低切削力、表面粗糙度和切削溫度。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué) Rinck 等[11] 發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)可以顯著降低TC4鈦合金銑削加工的切削力，改善加工表面質(zhì)量；他們進(jìn)一步比較了一維縱振和二維縱扭復(fù)合振動(dòng)對(duì)TC4鈦合金超聲振動(dòng)銑削加工的影響，發(fā)現(xiàn)縱扭復(fù)合振動(dòng)輔助比縱向振動(dòng)輔助的加工效果更優(yōu)異，相比于縱振銑削對(duì)于普通銑削切削力和表面粗糙度的降低，縱扭復(fù)合銑削的切削力和粗糙度進(jìn)一步降低了 12.7% 和 30nm。南京理工大學(xué)鄭侃等[12] 發(fā)現(xiàn)二維縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削穩(wěn)定域較一維縱振提升了 46.7%，銑削力下降了 24.7%，表面刀痕高度差降低了48.7%。河南理工大學(xué)牛贏等[13] 開展了TC4鈦合金的二維縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)銑削，縱扭超聲銑削能夠使平均切削力降低約 16.3%、切削溫度降低約 25.6%、表面殘余應(yīng)力值增加 31.3%。此外，北京航空航天大學(xué)的姜興剛等[14] 研究了橢圓振動(dòng)銑削方式，刀尖的特殊運(yùn)動(dòng)軌跡使其具有高線速度特性和高頻斷續(xù)切削特性，與普通銑削相比，切削力降低可達(dá) 50%，零件的形位精度得到了顯著提高。

超聲波振動(dòng)按照振動(dòng)類型可以分為縱振、彎振、扭振及其復(fù)合振動(dòng)如縱扭、縱彎和橢圓振動(dòng)等。不同振動(dòng)類型的模態(tài)不同，刀具與工件的間歇式接觸長度、時(shí)間也不同，對(duì)加工效果的影響機(jī)制也不同?？v扭復(fù)合振動(dòng)僅能實(shí)現(xiàn)單相信號(hào)激勵(lì)，兩個(gè)方向的振幅比值和相位均固定不能分別調(diào)節(jié)，因此限制了其加工應(yīng)用條件。而縱彎復(fù)合振動(dòng)通過施加兩相獨(dú)立且相位差可調(diào)的超聲信號(hào)，分別激發(fā)刀具沿軸向的縱振和沿徑向的彎振，使得縱彎復(fù)合振動(dòng)銑削可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩相振幅幅值和相位，能夠更加靈活地應(yīng)對(duì)不同材質(zhì)和不同加工參數(shù)的加工條件。因此，除了一維縱振和二維縱扭復(fù)合振動(dòng)外，有必要研究刀具的二維縱彎復(fù)合振動(dòng)對(duì) TC4鈦合金銑削加工性能的影響。然而，當(dāng)前TC4鈦合金的二維復(fù)合振動(dòng)輔助銑削加工主要采用的是刀具縱扭模式，對(duì)TC4鈦合金的刀具縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工未見報(bào)道。

因此，本文首先通過解析方法分析了縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，據(jù)此設(shè)計(jì)并制造了縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)軸，并搭建了三軸聯(lián)動(dòng)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工裝置。然后，開展了TC4鈦合金縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削加工試驗(yàn)，并將其切削力大小、毛刺形貌、加工表面粗糙度以及刀具磨損等試驗(yàn)結(jié)果與普通銑削加工進(jìn)行了對(duì)比，證明了應(yīng)用刀具二維縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助提升TC4鈦合金銑削加工性能的可行性。

1 、二維縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助

銑削加工裝置設(shè)計(jì)與搭建

1.1 縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

超聲振動(dòng)輔助銑削加工的優(yōu)點(diǎn)如低切削力、低切削溫度和低表面粗糙度等主要與其間歇式切削機(jī)制有關(guān)[15]。在縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工中，在刀具的常規(guī)運(yùn)動(dòng)上疊加縱彎振動(dòng)，刀具和工件之間的運(yùn)動(dòng)包括工件進(jìn)給、刀具旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，如圖1 所示。

因此，在刀具縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削加工中，刀尖的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡方程可表示為

式中，r 為刀具半徑；n 為主軸轉(zhuǎn)速；Vx 和 Vy 分別為 X 和 Y 方向的進(jìn)給速度，Vy 取 0；f 為超聲振動(dòng)頻率；Ab 為彎振振幅；Al 為縱振振幅；φ 為縱振超聲信號(hào)與彎振超聲信號(hào)的相位差，縱振和彎振的振動(dòng)幅值和相位差分別可控。在本文中，Ab 和 Al 取相同幅值，φ取 π/2。

由圖 2 所示的銑削加工刀尖軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，在普通銑削加工中刀尖軌跡為圓弧軌跡，刀具始終與工件材料接觸；而在縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削加工中刀尖軌跡為均勻的螺旋曲線，刀具與工件材料之間產(chǎn)生周期性的分離和接觸。因此，在刀具上施加縱彎復(fù)合振動(dòng)使傳統(tǒng)的連續(xù)加工狀態(tài)變?yōu)殚g歇式加工狀態(tài)，減少了切削力和切削溫度，并且刀具高頻振動(dòng)的沖擊作用使切屑更容易斷裂。此外，結(jié)合式（1）可知，超聲振動(dòng)的振幅越大，刀具退刀距離越大，刀 – 屑間歇分離現(xiàn)象越明顯，但是需要避免過大的振幅引起的沖擊力降低加工表面質(zhì)量；主軸轉(zhuǎn)速越大，單位旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的超聲作用頻次越低，因此需要避免轉(zhuǎn)速過大減弱超聲振動(dòng)的作用；進(jìn)給速度越小，周期之間的超聲振動(dòng)存在的疊加區(qū)域越大，更利于斷屑，但是需要避免過小的進(jìn)給速度造成銑削加工表面犁耕現(xiàn)象。因此，在縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工中需要選擇合理的加工參數(shù)來保證良好的加工效果。

1.2 三軸聯(lián)動(dòng)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)

輔助銑削加工裝置設(shè)計(jì)根據(jù)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工的基本原理，考慮刀具與工件的精密運(yùn)動(dòng)軌跡控制以及對(duì)切削力的檢測等需求，對(duì)三軸聯(lián)動(dòng)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削裝置的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該裝置由縱彎振動(dòng)輔助銑削加工系統(tǒng)、三軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、切削力檢測系統(tǒng)以及輔助結(jié)構(gòu)組成，如圖 3 所示。其中，縱彎振動(dòng)輔助銑削加工系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)幅值和相位可控的縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)銑削加工；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)刀具和工件的精確位移運(yùn)動(dòng)控制，輔助上述加工方式的實(shí)現(xiàn)；切削力檢測系統(tǒng)用于檢測上述加工過程中的高頻切削力，進(jìn)一步解釋縱彎復(fù)合振動(dòng)對(duì)銑削加工的作用機(jī)制。

縱彎振動(dòng)輔助銑削加工系統(tǒng)由高速主軸、主軸控制器、冷卻氣泵、超聲振動(dòng)軸及其電源組成。銑削主軸選用日本 NAKANISHI 公司的BMS–4020 電動(dòng)主軸，并配備 E4000主軸控制器，其額定轉(zhuǎn)速范圍可達(dá)1000~20000r/min，最大扭矩為 1N·m，最大徑向跳動(dòng)為 1μm。采用空氣壓縮機(jī)對(duì)主軸進(jìn)行供氣冷卻。超聲振動(dòng)軸的設(shè)計(jì)將在下一節(jié)進(jìn)行具體闡述。

為了滿足微銑削加工中微量進(jìn)給的要求，需要配備合適的運(yùn)動(dòng)控制模塊來完成刀具沿切深方向以及工件在 X–Y 平面的精密運(yùn)動(dòng)軌跡控制。

三軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由 Z 軸位移平臺(tái)、X–Y 二維位移平臺(tái)、多軸運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電子手輪、PC 上位機(jī)等組成。PC 上位機(jī)通過以太網(wǎng)與運(yùn)動(dòng)控制器連接，可為系統(tǒng)提供應(yīng)用軟件支撐，使系統(tǒng)控制更為開放和便捷。運(yùn)動(dòng)控制器選用泰道IMAC–FX 運(yùn)動(dòng)控制器，該運(yùn)動(dòng)控制器基于 Turbo PMAC2 內(nèi)核研制，最高可支持 2 軸模擬量和 4 軸脈沖運(yùn)動(dòng)控制，并可擴(kuò)展兩路手輪通道，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較高，滿足加工控制使用要求。Z 軸位移平臺(tái)和 X–Y二維位移平臺(tái)的行程分別為 150mm和 100mm×100mm，重復(fù)定位精度分 別 為 1μm 和 2μm。 在 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器軟件 Pewin32 中運(yùn)行測試腳本文件，同時(shí)運(yùn)行 PmacPlot32 軟件提取坐標(biāo)數(shù)據(jù)并繪制運(yùn)動(dòng)軌跡，以檢測 X–Y 二維位移平臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)和聯(lián)動(dòng)圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)能力。圖 4 顯示了 X–Y 二維位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的聯(lián)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，并給出了 5 個(gè)檢測點(diǎn)的 X–Y 坐標(biāo)數(shù)據(jù)。X 坐標(biāo)最大誤差出現(xiàn)在 3 號(hào)檢測點(diǎn)，為 2.2μm；Y坐標(biāo)最大誤差出現(xiàn)在 1 號(hào)檢測點(diǎn)，為2.5μm，滿足本裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡精度要求。

切削力檢測系統(tǒng)由壓電式力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集器等組成。壓力傳感器選用瑞士 Kistler 公司的 9119AA2 測力板，可檢測 X、Y、Z 3 個(gè)方向的作用力，閾值為 0.002N，靈 敏 度 Fx、Fz 為 26pC/N，F(xiàn)y 為 13pC/N，線性度小于 0.5%FS，采樣頻率為 50kHz。配置 5080A 電荷放大器，具有高、低通濾波功能，漂移為0.03pC/s（25 ℃），最 大 響 應(yīng) 頻 率 為200kHz。配置 5697 數(shù)據(jù)采集卡，三通道最大采樣速率為 333kS/s。力檢測系統(tǒng)可滿足 X、Y 和 Z 3 個(gè)方向高頻切削力的采集與檢測要求。

1.3 縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)軸設(shè)計(jì)

本研究自行設(shè)計(jì)并制造的縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)軸是實(shí)現(xiàn)二維縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工功能的核心部件，其與高速銑削主軸的裝配實(shí)物如圖 5（a）所示。振動(dòng)軸通過錐形芯軸與高速主軸連接，并通過法蘭兩側(cè)的螺栓進(jìn)行固定。圖 5（b）顯示了振動(dòng)軸內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括兩組 PZT 陶瓷、變幅桿、端蓋，還包括集電環(huán)、電刷、電極等電路連接附件。兩組 PZT 陶瓷壓緊在端蓋與變幅桿之間?？v振陶瓷和彎振陶瓷組分別含有 2 片和 4 片壓電陶瓷。圖 5（b）中符號(hào)“+”和“–”代表壓電陶瓷的極化方向。每片縱振陶瓷具有一個(gè)極化方向，而每片彎振陶瓷具有獨(dú)立區(qū)域的兩個(gè)極化方向。當(dāng)施加交流電壓時(shí)，由于縱振陶瓷沿 Z 軸方向高頻伸長和收縮，縱向振動(dòng)模式被激發(fā)；彎振陶瓷的 X+ 和 X– 區(qū)域分別變厚和變薄，從而使彎曲振動(dòng)模式被激發(fā)。銑刀通過專用夾套安裝在變幅桿上，并用鎖緊螺母固定，安裝后刀尖的最大徑向跳動(dòng)為 20μm。變幅桿放大陶瓷的振動(dòng)幅值并傳遞給銑刀，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)輔助銑削加工。區(qū)別于以往單組陶瓷激勵(lì)方式的振動(dòng)模式，縱彎復(fù)合振動(dòng)采用兩組獨(dú)立 PZT 陶瓷進(jìn)行激勵(lì)。壓電陶瓷激發(fā)振動(dòng)所需高頻電壓由超聲電源提供，超聲電源選用斯特萊特福科技公司的 QD–8D壓電驅(qū)動(dòng)器，該電源可以產(chǎn)生兩路超聲電壓信號(hào)，每相獨(dú)立輸出功率為 200W，分別用來控制縱振和彎振的振動(dòng)頻率、幅值及相位。使用日本Keyence 公司的 LK–H020 激光位移傳感器檢測銑刀縱向幅值與橫向幅值。通過標(biāo)定電壓與幅值的關(guān)系，試驗(yàn)中可分別更改兩路信號(hào)的電壓值來設(shè)定所需縱振和彎振的振動(dòng)幅值。

利用 ANSYS 有限元軟件對(duì)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)軸進(jìn)行了模態(tài)分析。

通過重復(fù)修改變幅桿及端蓋結(jié)構(gòu)，調(diào)整縱振和彎振的頻率使其趨于接近。圖 6 給出了一階縱振和三階彎振的模態(tài)結(jié)果，對(duì)應(yīng)的固有頻率分別為 19.075kHz 和 19.012kHz，兩者頻率相差 63Hz，實(shí)現(xiàn)了縱振和彎振之間的頻率匹配?？紤]到仿真模型的誤差，使用德國 Polytec GmbH 公司的 PSV–400–M2 激光測振儀進(jìn)行測振試驗(yàn)，實(shí)際施加的振動(dòng)頻率取18.41kHz，在此頻率下實(shí)現(xiàn)了在同一超聲頻率下分別激發(fā)刀具的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。

2 、TC4 鈦合金縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

TC4鈦合金縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工試驗(yàn)在圖 3 所示的自研銑削裝置上進(jìn)行。試驗(yàn)工件材料為 TC4鈦 合 金，尺 寸 為 20mm×10mm×10mm。試驗(yàn)刀具為 φ1mm 的四刃鎢鋼銑刀，刀具螺旋角為 55°，前角為 3°，后角為 8°，刀刃長度為3mm。由于微銑削刀具抗彎剛度小，選用的進(jìn)給速度要遠(yuǎn)小于常規(guī)銑削，銑刀最大進(jìn)給速度限制在5μm/z，最大加工深度限制在 100μm。由于集電環(huán)的壽命限制，主軸最大轉(zhuǎn)速限制在 3000r/min，實(shí)際試驗(yàn)中采用的轉(zhuǎn)速為 2000r/min。由于超聲電源電壓限制，最大超聲振幅限制在 7μm。為了研究刀具縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)對(duì)加工效果的影響，同時(shí)開展了無振動(dòng)施加的普通銑削試驗(yàn)并進(jìn)行了對(duì)比分析。振動(dòng)輔助銑削與普通銑削所采用的加工參數(shù)如表 1 所示。使用Kistler 動(dòng)態(tài)力測量儀記錄加工過程的切削力，使用數(shù)字顯微鏡觀察切屑形貌、銑刀磨損情況以及毛刺現(xiàn)象，使用 Zygo 白光干涉儀觀察銑削表面形貌并對(duì)其表面粗糙度值進(jìn)行測量。

2.2 切削力

圖 7 給出了TC4縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削加工過程中 X、Y 和 Z 3 個(gè)方向的切削力均方根值隨振動(dòng)幅值的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)刀具施加縱彎振動(dòng)有效地降低了 X 和 Y 方向的切削力，這是由于縱彎振動(dòng)的刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡使得刀具與材料的接觸長度減小，可有效地減少刀具切削工件材料的體積。此外，超聲沖擊作用和間歇式刀 – 屑分離特性使得切削區(qū)域的切屑流動(dòng)速度加快，減少了切屑與刀具之間的摩擦阻力。隨著振幅的增大，超聲振動(dòng)降低切削力的效果更為顯著，X 和 Y 方向的切削力進(jìn)一步減小。而在振幅超過 5μm 之后，X

和 Y 方向的切削力反而開始逐漸增大，這是由于過大的振幅導(dǎo)致刀具與材料產(chǎn)生沖擊作用，不利于形成穩(wěn)定的銑削加工狀態(tài)。對(duì)刀具施加振動(dòng)對(duì) Z 方向切削力的影響較小，這是由于刀具主要與工件材料側(cè)壁接觸產(chǎn)生材料去除，刀具對(duì)工件材料底面的影響較小。綜上所述，對(duì)刀具施加縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)在降低切削力上具有明顯效果，但振幅不宜過大。因此，在接下來的振動(dòng)輔助銑削與普通銑削的對(duì)比試驗(yàn)中，選用的超聲振動(dòng)振幅參數(shù)固定為 5μm。

2.3 切屑形貌

圖 8 給出了TC4縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削和普通銑削加工試驗(yàn)后的切屑形貌，其中縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削的振幅為 5μm。由圖 8 可以觀察到，普通銑削產(chǎn)生的切屑大部分為螺旋狀連續(xù)切屑和少量的斷碎切屑，而縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削產(chǎn)生的切屑則全部為斷碎切屑。上述結(jié)果表明，對(duì)刀具施加縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)具有明顯的斷屑作用，刀具的間歇式切削運(yùn)動(dòng)軌跡使得切屑提前斷裂，更易形成微小的切屑。對(duì)切屑形貌進(jìn)一步放大觀察顯示，普通銑削產(chǎn)生的切屑表面顯示出平行于銑刀周向方向的條紋，而縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削產(chǎn)生的切屑表面在平行條紋之間還遍布著許多微小尺寸的高頻振紋，這也反映出縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削過程中銑刀與工件材料之間存在高頻間歇接觸。

2.4 毛刺形貌

圖 9 給出了TC4縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削和普通銑削加工試驗(yàn)后的毛刺形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，普通銑削加工形成的凹槽棱邊出現(xiàn)了大量毛刺，而縱彎銑削得到的微槽棱邊僅有少量微小毛刺形成。由于鈦合金具有較大的彈塑性和較低的導(dǎo)熱性，較長的切屑難以排出，材料在凹槽棱邊擠壓產(chǎn)生毛刺，并且毛刺堆積現(xiàn)象在逆銑側(cè)更為嚴(yán)重。而對(duì)刀具施加縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)提高了斷屑與散熱能力，使得切屑破碎并快速流出，降低了材料的擠壓效應(yīng)，進(jìn)而減少了毛刺的生成，因此可以有效地抑制毛刺的生成。

2.5 加工表面質(zhì)量

圖 10 給出了TC4縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削和普通銑削加工試驗(yàn)后的工件表面形貌圖?？梢钥闯?，普通銑削溝槽表面的粗糙度為 782nm，而縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削表面粗糙度為 358nm，降低了 54.2%。圖10（a）顯示普通銑削加工的溝槽表面有連續(xù)的刀痕，具有明顯的溝壑缺陷，這是由于鈦合金材料及其切屑與刀具的結(jié)合力較大，材料在銑削過程中以剝離方式去除，最終形成表面凹坑。并且，普通銑削加工的溝槽表面有明顯的損傷痕跡，這是由于較長的切屑難以去除，切屑參與加工過程，劃傷溝槽表面導(dǎo)致的。圖 10（b）顯示對(duì)刀具施加縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助有效地抑制了材料的粘連效應(yīng)，并且易于切屑快速排出，加工形成的溝槽表面具有魚鱗狀織構(gòu)。但是由于微銑刀的跳動(dòng)誤差與顫振，溝槽表面織構(gòu)的均勻性不高。跳動(dòng)的存在會(huì)影響實(shí)際分離切削效果，但超聲作用頻率是遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速的，因此間歇式切削仍能較好實(shí)現(xiàn)。

2.6 刀具磨損

圖 11 給出了TC4縱彎復(fù)合振動(dòng)輔助銑削和普通銑削加工試驗(yàn)（銑削 10 次 6mm 長度溝槽）后的刀具形貌圖。由圖 11（a）可知，普通銑削后銑刀刀尖鈍化嚴(yán)重，直線刃凹凸不平，且出現(xiàn)了明顯的刀 – 屑粘連現(xiàn)象，影響加工表面質(zhì)量。而施加了縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)銑削后的刀具直線刃和刀尖磨損皆較小，如圖 11（b）所示。這是由于對(duì)刀具施加縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)導(dǎo)致間歇刀 – 屑接觸狀態(tài)，減小了切削力，增強(qiáng)了散熱條件，并減少了刀具和材料的粘連現(xiàn)象。

因此可以得出，在TC4鈦合金銑削加工中對(duì)刀具施加縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)對(duì)于減小刀具磨損、延長微銑刀的使用壽命具有積極作用。

3 、結(jié)論

針對(duì)TC4鈦合金銑削加工性能提升的需求，本文分析了二維縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，設(shè)計(jì)并搭建了三軸聯(lián)動(dòng)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削裝置，據(jù)此開展了TC4 鈦合金縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工性能的試驗(yàn)研究，并與普通銑削進(jìn)行了對(duì)比，得出以下結(jié)論。

（1）刀具縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削加工中刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡為均勻的螺旋曲線，刀具與工件材料之間產(chǎn)生周期性的分離和接觸，可以實(shí)現(xiàn)良好的間歇式切削效果。

（2）刀具縱彎復(fù)合振動(dòng)可通過施加兩相獨(dú)立且相位差可調(diào)的超聲信號(hào)來獨(dú)立控制和調(diào)節(jié)刀具縱振和彎振的振動(dòng)幅值和相位。

（3）與TC4普通銑削相比，刀具縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)輔助銑削在降低切削力，提升斷屑能力，降低加工缺陷，提高表面粗糙度和降低刀具磨損上具有明顯效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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通訊作者：劉英想，教授，博士，研究方向?yàn)閴弘姍C(jī)器人、仿生機(jī)器人。

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