Page 92 - 《应用声学》2020年第6期

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捉。Zhu 等 [15] 采用二维超声椭圆振动在硬质合金
0 引言
刀具表面构造出 3 种节距的微池型沟槽，通过利用
我国每年因摩擦损耗和腐蚀损耗造成的经济 微织构刀具进行车削试验，结果表明：表面节距为
200 µm的微池型沟槽能够明显降低切屑 -刀具界面
损失数以万亿计，而在航空、航天、航海领域，零件
的磨损性故障和腐蚀性损坏常伴随灾难性后果 [1] 。 的抗黏着性，刀具的切削性能得到明显改善。
因此，继 “成型” 制造和表面完整性制造之后，第三 综上所述，超声辅助加工在工件表面不仅可以
代制造技术的核心是在表面构筑变质层提高材料 形成稳定的残余压应力层，且能获得规整的微织构
形貌。而微织构刀具在减摩、降阻等方面具有显著
的耐磨、耐腐蚀特性 [2] 。目前，表面变质层的构筑方
法主要有化学法 [3] (即：热处理、涂层、电化学改性 优势。因此，将两种加工技术进行复合以达到耐腐
等) 和物理法 [4] (即：激光刻蚀、激光喷丸、反应离子 蚀的适应性要求，具有一定的工程应用价值。本文
首先基于波的传导理论建立了斜槽式纵扭复合超
刻蚀、压刻技术、电火花加工、电加工以及超声加工)
声振动系统的频率方程，并通过有限元分析法获得
两种。较其他几种方式，超声加工可以在材料的成
型制造过程中在工件表面形成微织构，极大提高加 了刀片厚度对超声系统模态参数的影响规律，最后
工效率，具有广泛的应用前景。 对 7075 铝合金开展了相关的切削力试验和水滴角
在超声辅助加工方面，Gao等 [5] 通过对7075航 测试。
空铝合金零件进行铣削试验，发现工件表面形成
1 微织构超声振动铣削机理
单刀最大残余压应力可以达到 −36.84 MPa。Guo
等 [6] 通过刀尖的超声椭圆振动在 6061 铝合金表面 1.1 切削系统
形成了比较规整的表面微织构形貌。之后，曹腾 [7] 纵扭复合超声振动系统结构如图 1 所示。声学
对超声椭圆振动的加工特点进行研究并对工件表 系统主要包括：超声波电源、无线电能传输系统、

面的织构进行设计，通过摩擦试验发现其摩擦系 纵振换能器、斜槽式纵扭变幅杆以及微织构铣刀 5
数较普车试件降低 35.4% ∼ 44.4%。姜兴刚等 [8] 利 部分。
用双弯曲椭圆振动高速铣削 TC4 钛合金薄壁件使
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得切削力降低 50%，刀具颤振得到抑制，零件形位 ˟ᣉᣁߕ ҫࢺ˗ॷႃ
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误差得到显著提高。赵波等 [9] 对比分析了刀具、工
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件两种施振方式，并得出轴向施加振动不仅有利于 35.5 kHz 0.09 A ઢ᧬
微织构的生成且可缩短工件在摩擦过程中的磨合 ᮠဋ ႃื BT40Ѩ౻
时间。
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在微织构刀具方面，符永宏等 [10] 指出不同微 ͜ᣥҞ᣸ ᣥԔ᣸
织构沟槽方向 (即：平行、垂直于切削刃) 对车刀的
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切削性能和磨损影响有重要影响。Chen 等 [11] 进一
步分析了不同沟槽方向及微坑3 种织构刀具在干切
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削 TC4 条件下的切削性能，发现平行切削刃沟槽 ॲጻ౞ᨾѨ ԫࣨీ
的减摩效果最明显。张高峰等 [12] 应用压印技术在
YG6 刀具上加工出直线型和凹型沟槽结构，解决了
图 1 纵 -扭复合超声振动系统结构示意图
车削过程中粘刀、切削力过大及工件烧伤等问题。
Fig. 1 The schematic diagram of longitudinal-
陈碧冲 [13] 利用 Deform 软件仿真分析了不同方向 torsional ultrasonic vibration system
(即：横向、纵向和交叉) 的微沟槽织构对钻头切削
性能，发现横向沟槽对于刀具降温具有显著效果。 1.2 切削机理分析
杨树财等 [14] 在YG8球头铣刀的前刀面上布置微坑 加工工件表面形貌特征与刀具形状、运行轨迹
织构并对钛合金进行有限元仿真，指出该织构的 有密切关系。本文纵扭复合超声微织构铣削属超声
置入不仅有利于降摩、降温，还有利于对磨屑的捕 椭圆振动加工。在整个切削过程中，立铣刀的运动