CN112620744A - 一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法 - Google Patents

一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法，选用TiAlN涂层硬质合金平底铣刀，并将该刀具安装在超声刀柄上；削加工过程中，在机床主轴上沿着轴向方向施加周期性高频率低振幅的振动，在铣削加工过程中刀具与工件相对运动发生改变，利用刀具与工件间的周期性分离与撞击效应，通过选择合理的超声振动辅助铣削加工工艺参数，以减小工件加工表面粗糙度值、增大加工表面残余压应力值。采用轴向超声振动辅助铣削的加工方法对复合材料TiB2/7050Al进行铣削加工，在同等加工条件下超声振动辅助铣削加工中加工表面粗糙度得到明显降低，且加工表面残余压应力值得到明显提高。

Description

一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工 方法
技术领域
本发明涉及超声振动辅助切削加工技术领领域，具体地说，涉及一种新型难加工复合材料TiB2/7050Al的轴向超声振动辅助铣削加工方法。
背景技术
TiB2/7050Al是一种新型颗粒增强铝基复合材料，材料中的增强颗粒在铝基体中原位反应直接生成，其尺寸细小在纳米和亚微米级、外形圆整、界面干净、颗粒与基体之间具有良好的相容性，展现出良好的力学性能，具有高比强度、高比模量、耐疲劳的特性，在航空、航天、汽车、电子、体育用品诸多领域具有广泛的应用前景。但是，由于复合材料TiB2/7050Al中硬质TiB2增强颗粒的存在，使其在机械加工中成为一种典型的难加工材料。
现有公开的技术文献，Netherlands，Yifeng Xiong等研究人员发表的论文“Surface integrity of milling in-situ TiB2 particle reinforced Al matrixcomposites”(《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》，(54)2016,407-416)中,采用4刃平底不带涂层的硬质合金刀具对复合材料TiB2/7050Al进行铣削加工，并对加工表面完整性进行研究，结果发现在采用该加工方法加工这种材料时，加工表面粗糙度值比较大。Germany，Yifeng Xiong等研究人员发表的论文“Machinabilityof in situ TiB2 particle reinforced 7050Al matrix composites with TiAlNcoating tool” (《International Journal of Advanced Manufacturing Technology，97(2018) 3813–3825)中采用4刃平底TiAlN涂层刀具对复合材料TiB2/7050Al进行铣削来研究其机械加工性能，发现该材料在加工过程中表面粗糙度值比较大并且表面残余压应力数值比较小。在上述两篇文章的研究中发现对复合材料TiB2/7050Al 采用普通铣削方法进行加工会出现加工表面粗糙度值大、表面残余压应力低的缺陷。疲劳是机械加工零部件的主要失效形式，并且在金属材料的机械加工过程中加工表面质量、粗糙度以及表面残余应力会对零部件的疲劳强度产生重要的影响。然而，采用普通铣削加工复合材料TiB2/7050Al出现的粗糙度值大、表面残余压应力小会对零部件的疲劳强度产生影响，限制了复合材料TiB2/7050Al 在工业上的应用与推广。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，克服普通铣削加工复合材料TiB2/7050Al出现的粗糙度值大、表面残余压应力小会对零部件的疲劳强度产生影响，本发明提出一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法；其采用轴向超声振动辅助铣削的加工方法，在铣削加工过程中在机床主轴上沿着轴向方向施加周期性高频率低振幅的振动，在铣削加工过程中刀具与工件相对运动发生改变，利用刀具与工件间的周期性分离与撞击效应，通过合理的选择加工参数来获得较小的加工表面粗糙度值和较大的表面残余压应力值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.将复合材料TiB2/7050Al进行线切割成所需加工的尺寸，表面处理光整后装夹在三坐标轴数控铣床上；
步骤2.将超声振动设备与三坐标轴数控铣床连接，超声振动参数为:超声振幅为2～4μm，频率为20～37kHz；
步骤3.选择TiAlN涂层硬质合金平底铣刀并将该刀具安装在超声刀柄上；选用的刀具参数:刀具前角α为5°，后角γ为8°，螺旋角β为40°，刀尖圆弧半径r为0.2mm，刀具齿数z为4，刀具直径d为7mm，刀具总长L为55mm，切削刃长l0为20mm；
(a)确定刀具悬伸量；调整刀具安装在刀柄上外伸部分的长度，通过调整刀具悬伸量获得最佳超声振幅。
(b)打开超声发生器的电源与工作开关，调整电流的数值，观察超声发生器显示屏幕上频率的数值，使其处于加工所需要的频率参数；
(c)在复合材料TiB2/7050Al轴向超声振动辅助铣削加工过程中，采用不添加冷却液的干式铣削方式；
步骤4.对装夹的复合材料TiB2/7050Al进行轴向超声振动辅助铣削加工实验，获得最佳加工工艺参数；轴向超声振动辅助铣削加工参数设置包括振动参数与铣削参数，振动参数:频率为20～37kHz，振幅为2～4μm；铣削加工参数:铣削速度为15～45m/min，每齿进给量为0.03～0.07mm/z，切削深度为0.2～0.8mm；
步骤5.对正交实验结果进行分析，确定实验效果的加工工艺参数；在加工样件表面按照正交实验结果分析所确定的加工工艺参数进行超声振动辅助铣削加工，获得最终加工表面；将已加工工件表面采用酒精溶液进行擦拭，为后续测量工作做准备；
步骤6.将已加工工件表面在X射线衍射仪上测量工件表面残余应力；在残余应力测量完成后，采用探针接触式表面粗糙度仪测量表面粗糙度值。
有益效果
本发明提出的一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法，采用轴向超声振动辅助铣削的加工方法对复合材料TiB2/7050Al进行加工以减小工件加工表面粗糙度值、增大加工表面残余压应力。轴向超声振动辅助铣削加工是在普通铣削加工过程中在机床主轴上沿着轴向方向施加周期性高频率低振幅的振动，在铣削加工过程中刀具与工件相对运动发生改变，利用刀具与工件间的周期性分离与撞击效应，通过合理的选择加工参数来获得较小的加工表面粗糙度值和较大的表面残余压应力值。
本发明难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法，选用 TiAlN涂层硬质合金立铣刀，通过选择合理的超声振动辅助铣削加工工艺参数，在复合材料TiB2/7050Al铣削加工中能够获得小的表面粗糙度的同时得到大的表面残余压应力。采用本发明超声振动辅助铣削加工方法，在同等加工条件下超声振动辅助铣削加工中加工表面粗糙度得到明显降低，且加工表面残余压应力值得到明显提高。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法作进一步详细说明。
图1为本发明超声振动辅助铣削加工方法实施步骤流程图。
具体实施方式
本实施例是一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法。采用轴向超声振动辅助铣削的加工方法对复合材料TiB2/7050Al进行加工以减小工件加工表面粗糙度值、增大加工表面残余压应力。轴向超声振动辅助铣削加工是在普通铣削加工过程中在机床主轴上沿着轴向方向施加周期性高频率低振幅的振动，在铣削加工过程中刀具与工件相对运动发生改变，利用刀具与工件间的周期性分离与撞击效应，通过合理的选择加工参数来获得较小的加工表面粗糙度值和较大的表面残余压应力值。
参阅图1，本实施例难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法，适用于原位自生型TiB2颗粒增强铝基复合材料；本实施例使用的三坐标轴数控铣床为CY-VMC850，所使用的超声设备为CKN-BT40-ER11-92105A超声刀柄。
本实施例难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法，包括以下步骤:
(1)准备加工试件；将TiB2/7050Al复合材料切割成65mm×42mm×20mm的块状，并在磨床上将其表面进行磨光，得到TiB2/7050Al复合材料加工样件，然后把该样件装夹在CY-VMC850三坐标轴数控铣床上，为后续加工准备。
(2)安装超声设备；本实施例中采用的超声设备由超声发生器、 CKN-BT40-ER11-92105A超声刀柄和非接触式电磁传感单元组成。将超声发生器与非接触式电磁传感单元通过连接线连接，将非接触式电磁传感单元通过抱环固定在三坐标数控铣床的主轴上；然后，将超声刀柄安装在机床上并观察超声刀柄与非接触式电磁传感单元接触状态保证其正常接触；超声振动参数:超声振幅为2～4μm，频率为20～37kHz。
(3)选择加工刀具；选择TiAlN涂层硬质合金平底铣刀并安装在 CKN-BT40-ER11-92105A超声刀柄上，进行超声振动辅助铣削加工实验；为获得最佳振动效果和较好刀具耐用度，结合实验数据，本实施例选用TiAlN涂层硬质合金平底铣刀刀具前角α为5°，后角γ为8°，螺旋角β为40°，刀尖圆弧半径r为0.2mm，刀具齿数z为4，刀具直径d为7mm，刀具总长L为55mm，切削刃长l0为20mm。
确定刀具悬伸量；刀具悬伸量是指刀具安装在刀柄上外伸部分的长度。通过调整刀具宣悬伸量获得最佳超声振幅。将刀具安装在CKN-BT40-ER11-92105A 超声刀柄上之后，采用位移传感器测量当前刀具悬伸量对应的振幅，通过调整刀具的悬伸量使得刀具的振动处于谐振点上，此时可获得最佳超声振幅，本实施例刀具悬伸量l为32mm，可以获得最佳超声振幅为4μm。
确定铣削方向；在TiB2/7050Al复合材料轴向超声振动辅助铣削加工过程中，采用不添加冷却液的干式铣削，采用顺铣加工方式。
(4)铣削加工实验；轴向超声振动辅助铣削加工工艺参数，包括振动参数: 频率为20～37kHz，振幅为2～4μm；铣削加工参数:铣削速度为15～45m/min，每齿进给量为0.03～0.07mm/z，切削深度为0.2～0.8mm；在工艺参数范围内对 TiB2/7050Al复合材料进行轴向超声振动辅助铣削正交试验。
(5)确定工艺参数。通过对正交实验的结果进行分析，确定能够达到实验效果的加工工艺参数；本实施例中轴向超声振动辅助铣削加工参数为:频率为 30kHz，振幅为4μm，铣削速度为30m/min，每齿进给量为0.05mm/z，切削深度为0.5mm，切削宽度为6mm。
(6)超声振动辅助铣削加工；在加工样件表面按本实施例中所确定的加工工艺参数进行超声振动辅助铣削加工，得到最终加工表面；将已加工好的样件表面采用75％酒精溶液进行擦拭，待加工表面完全干净，为后续测量准备。
(7)样件加工表面残余应力测量；将处理好的加工样件放置在X衍射仪上测量其表面残余压应力，分别在切削方向和切宽方向各选择3个测量点进行测量，然后计算其平均值。
(8)样件加工表面粗糙度测量；在样件加工表面残余应力测量完成后，将该样件放置在探针接触式粗糙度测量仪MarSurfXT20上测量样件已加工表面粗糙度值，分别在切削方向和切宽方向各选择3个测量点进行测量，然后计算其平均值。
本实施例中，TiB2/7050Al复合材料轴向超声振动辅助铣削样件加工表面的粗糙度值为切削方向Ra为0.35μm，切宽方向Ra为0.26μm；样件加工表面残余压应力值为切削方向σ为208MPa，切宽方向σ为188Mpa；与现有文献中采用普通铣削加工所得到的粗糙度最小值、表面残余压应力最大值相比，采用轴向超声振动辅助铣削加工TiB2/7050Al复合材料加工表面粗糙度值小，并且加工表面残余压应力值较大。

Claims (1)

1.一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.将复合材料TiB2/7050Al进行线切割成所需加工的尺寸，表面处理光整后装夹在三坐标轴数控铣床上；
步骤2.将超声振动设备与三坐标轴数控铣床连接，超声振动参数为:超声振幅为2～4μm，频率为20～37kHz；
步骤3.选择TiAlN涂层硬质合金平底铣刀并将该刀具安装在超声刀柄上；选用的刀具参数:刀具前角α为5°，后角γ为8°，螺旋角β为40°，刀尖圆弧半径r为0.2mm，刀具齿数z为4，刀具直径d为7mm，刀具总长L为55mm，切削刃长l0为20mm；
(a)确定刀具悬伸量；调整刀具安装在刀柄上外伸部分的长度，通过调整刀具悬伸量获得最佳超声振幅。
(b)打开超声发生器的电源与工作开关，调整电流的数值，观察超声发生器显示屏幕上频率的数值，使其处于加工所需要的频率参数；
(c)在复合材料TiB2/7050Al轴向超声振动辅助铣削加工过程中，采用不添加冷却液的干式铣削方式；
步骤4.对装夹的复合材料TiB2/7050Al进行轴向超声振动辅助铣削加工实验，获得最佳加工工艺参数；轴向超声振动辅助铣削加工参数设置包括振动参数与铣削参数，振动参数:频率为20～37kHz，振幅为2～4μm；铣削加工参数:铣削速度为15～45m/min，每齿进给量为0.03～0.07mm/z，切削深度为0.2～0.8mm；
步骤5.对正交实验结果进行分析，确定实验效果的加工工艺参数；在加工样件表面按照正交实验结果分析所确定的加工工艺参数进行超声振动辅助铣削加工，获得最终加工表面；将已加工工件表面采用酒精溶液进行擦拭，为后续测量工作做准备；
步骤6.将已加工工件表面在X射线衍射仪上测量工件表面残余应力；在残余应力测量完成后，采用探针接触式表面粗糙度仪测量表面粗糙度值。
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