钛合金微槽超声螺线辅助铣磨加工试验研究

doi:10.3901/JME.2024.09.005

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (9): 5-12.doi: 10.3901/JME.2024.09.005

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钛合金微槽超声螺线辅助铣磨加工试验研究

苏志朋¹, 梁志强¹, 李娟², 王飞², 魏正义², 刘月红², 金惟薇¹, 马悦¹, 殷振³, 王西彬¹

1. 北京理工大学机械与车辆学院北京 100081;
2. 内蒙古北方重工业集团有限公司包头 014030;
3. 苏州科技大学机械工程学院苏州 215009

收稿日期:2023-06-05 修回日期:2023-11-15 出版日期:2024-05-05 发布日期:2024-06-18
作者简介:苏志朋，男， 1995 年出生，博士研究生。主要研究方向为超声加工，微细刀具设计制造。E-mail： zhipesu@163.com;梁志强(通信作者)，男， 1984 年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为先进切削磨削与刀具技术、微细加工、微细刀具设计与制造技术、特种机床与装备制造技术。E-mail： liangzhiqiang@bit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52375400、51975053)、转化应用(D44F9A65，2B0188E1)和内蒙古重点研发(2022YFHH0121)资助项目。

Experimental Research on Ultrasonic Spiral Assisted Milling and Grinding of Titanium Alloy Micro Groove

SU Zhipeng¹, LIANG Zhiqiang¹, LI Juan², WANG Fei², WEI Zhengyi², LIU Yuehong², KIM Yoomi¹, MA Yue¹, YIN Zhen³, WANG Xibin¹

1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081;
2. Inner Mongolia North Heavy Industry Group Co., Ltd, Baotou 014030;
3. School of Mechanical Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009

Received:2023-06-05 Revised:2023-11-15 Online:2024-05-05 Published:2024-06-18

摘要/Abstract

摘要： 微铣削是实现航空微小零件精密加工的主要方法，但是受尺寸效应影响，使用该工艺加工钛合金等塑性高且强度大的材料时，易产生严重的切削变形以及毛刺等缺陷，影响微小零件加工质量。针对钛合金微槽加工过程中出现塑性变形大以及毛刺损伤严重的问题，提出超声螺线辅助铣磨加工方法，将平面加工轨迹转变为三维螺线，进而实现微铣磨工具的端面和圆柱面与工件周期性分离，降低微铣磨力，改善微槽加工质量。开展超声辅助钛合金微槽铣磨加工仿真与试验研究，对比分析不同超声振动方式对微槽毛刺尺寸、表面质量、分形维数以及微铣磨力的影响，结果表明，相比无超声辅助、纵扭超声辅助以及切向超声辅助加工方法，超声螺线辅助加工得到毛刺尺寸最小，表面粗糙度最低，分形维数最大，微铣磨力最小。钛合金微槽加工质量得到了提高。验证了超声螺线辅助加工方法在钛合金微槽加工中的优势。

关键词: 超声振动, 微铣削, 微磨削, 聚晶金刚石工具, 钛合金

Abstract: Micro-milling is the main method to realize precise machining of aviation micro parts. However, affected by the size effect, when using this method to process titanium alloy and other high plasticity and high strength materials, it is easy to produce serious cutting deformation, burrs and other defects, affecting the machining quality of micro parts. To solve the problems of large plastic deformation and severe burr damage in the machining process of titanium alloy micro-groove, an ultrasonic spiral assisted milling and grinding method is proposed. The plane machining path is transformed into three-dimensional spiral, so that the end surface and cylinder surface of the micro-milling and grinding tool are periodically separated from the workpiece, which can reduce the micro-milling and grinding force and improve the micro-groove machining quality. The simulation and experiment of ultrasonic assisted titanium alloy micro-groove machining are carried out. The effects of different ultrasonic vibration modes on the burr size, surface quality, fractal dimension and micro-milling & grinding force of micro-groove are compared. The results showed that, compared with non-ultrasonic assisted, longitudinal torsion ultrasonic assisted and tangential ultrasonic assisted machining methods, ultrasonic spiral assisted machining obtained the smallest burr size, the lowest surface roughness, the largest fractal dimension and the smallest force. The machining quality of titanium alloy microgroove is improved. The experimental result verifies the advantage of ultrasonic spiral assisted machining method in titanium alloy micro-groove machining.

Key words: ultrasonic vibration, micro-milling, micro-grinding, polycrystalline diamond tool, titanium alloy

中图分类号:

TG52

苏志朋, 梁志强, 李娟, 王飞, 魏正义, 刘月红, 金惟薇, 马悦, 殷振, 王西彬. 钛合金微槽超声螺线辅助铣磨加工试验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 5-12.

SU Zhipeng, LIANG Zhiqiang, LI Juan, WANG Fei, WEI Zhengyi, LIU Yuehong, KIM Yoomi, MA Yue, YIN Zhen, WANG Xibin. Experimental Research on Ultrasonic Spiral Assisted Milling and Grinding of Titanium Alloy Micro Groove[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(9): 5-12.

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参考文献

[1] 冯茹. 金刚石砂轮磨削钛合金时的磨削力研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程，2022，42(2)：193-200. FENG Ru. Study on grinding force in grinding titanium alloy with diamond grinding wheel[J]. Diamond & Abrasives Engineering，2022，42(2)：193-200.
[2] ALESSANDRO C，ANTONIO F，ELISABETTA C，et al. Tool wear analysis in micro milling of titanium alloy[J]. Precision Engineering，2019，57：83-94.
[3] 张俊杰，刘英想，胡王杰，等. TC4钛合金纵弯超声振动铣削装置及其加工性能研究[J]. 航空制造技术，2022，65(8)：14-21. ZHANG Junjie，LIU Yingxiang，HU Wangjie，et al. Study on longitudinal-bending hybrid ultrasonic vibration milling device and machining performance of TC4 titanium alloy [J]. Aeronautical Manufacturing Technology，2022，65(8)：14-21.
[4] 韩光超，潘高峰，吴文，等. 超声微铣削加工毛刺成形特性研究[J]. 北京理工大学学报，2018，38(9)：888- 892，898. HAN Guangchao，PAN Gaofeng，WU Wen，et al. Researching the burr formating characteristics of ultrasonic assisted micro-milling process[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology，2018，38(9)：888-892，898.
[5] LIAN H，GUO Z，HUANG Z，et al. Experimental research of Al6061 on ultrasonic vibration assisted micro-milling[J]. Procedia CIRP，2013，6：561-564.
[6] YUAN Z，FANG B，DONG Y，et al. Study on surface texture and corrosion resistance of ultrasonic vibration-assisted micromilling Inconel718[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2022，121(1-2)：601-618.
[7] FANG B，YUAN Z，LI D，et al. Effect of ultrasonic vibration on finished quality in ultrasonic vibration assisted micromilling of Inconel718[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2020，34(6)：209-219.
[8] 方锐，邹平，段经伟，等. 三维超声振动辅助车削减摩特性与表面质量的试验研究[J]. 东北大学学报，2023，44(2)：233-241. FANG Rui，ZOU Ping，DUAN Jingwei，et al. Experimental research on friction reduction characteristics and surface quality of 3D ultrasonic vibration assisted turning[J]. Journal of Northeastern University，2023，44(2)：233-241.
[9] 武民，马利杰，王占奎，等. 不同振动方式下的钛合金超声振动铣削表面完整性研究[J]. 振动与冲击，2021，40(4)：164-170. WU Min，MA Lijie，WANG Zhankui，et al. Influence of vibration modes on surface integrity during ultrasonic vibration milling of titanium alloy[J]. Journal of Vibration and Shock，2021，40(4)：164-170.
[10] 赵波，李鹏涛，张存鹰，等. 超声振动方向对TC4钛合金铣削特性的影响[J]. 航空学报，2020，41(2)：39-49. ZHAO Bo，LI Pengtao，ZHANG Cunying，et al. Effect of ultrasonic vibration direction on milling characteristics of TC4 titanium alloy[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2020，41(2)：39-49.
[11] 王超，巩亚东，尹国强，等. 刀具直径和磨料粒度对微铣磨表面粗糙度的影响[J]. 东北大学学报，2013，34(12)：1759-1762. WANG Chao，GONG Yadong，YIN Guoqiang，et al. Influence of tool diameter and abrasive particle size on surface roughness in micro mill-grinding[J]. Journal of Northeastern University，2013，34(12)：1759-1762.
[12] ZHANG Z，PENG H，YAN J. Micro-cutting characteristics of EDM fabricated high-precision polycrystalline diamond tools[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2013，65：99-106.
[13] CHEN S T，JIANG Z H，A force controlled grinding-milling technique for quartz-glass micro machining[J]. Journal of Materials Processing Tech， 2015，216：206-215.
[14] 王秋燕，梁志强，王西彬，等. 蓝宝石单晶精密磨削表面形貌的分形行为研究[J]. 机械工程学报，2015，51(19)：174-181. WANG Qiuyan，LIANG Zhiqiang，WANG Xibin，et al. Research on fractal behavior of surface topography in precision grinding of monocrystal sapphire[J]. Journal of Mechanical Engineering，2015，51(19)：174-181.

[1]	刘家旭, 汪大成, 师明杰, 陈帅峰, 张士宏, 程明. 航空叶片板式楔横轧-模锻复合成形中的组织演变研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(6): 87-99.
[2]	陈小同, 李钟豪, 杨敏, 孔祥罡, 刘明政, 李本凯, 马宵, 崔歆, DAMBATTA Y S, 于镇玮, 王广, 李长河. 仿生沙漠甲虫微磨具/骨界面液滴铺展模型与实验研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 329-346.
[3]	杨浩, 谢晋, 陈佳欣, 陈钊杰, 何铨鹏. 金刚石磨粒切削-滚压钛合金的干磨削系统控制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(9): 168-177.
[4]	孙金刚, 杨敏, 杨玉莹, 张彦彬, Y S DAMBATTA, 周宗明, 李长河. 超声微磨削生物骨非均匀热源温度场模型与实验验证[J]. 机械工程学报, 2025, 61(9): 178-198.
[5]	张金, 邓辰杰, 雒泰民, 罗代新, 陶桂宝, 曹华军. CFRP超声振动铣削辅助装备及智能加工研究进展[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 24-48.
[6]	田威, 李鹏程, 缪云飞, 廖文和, 董松, 孟丹. 大型复材薄壁构件工业机器人高精度原位铣边加工新方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 120-133.
[7]	周云光, 陈晗, 邹忌, 马文敏, 马廉洁, 李明, 尹国强, 巩亚东. 2.5D-C_f/SiC复合材料超声椭圆振动辅助螺旋磨削运动学模型及材料去除机理研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 229-244.
[8]	鲁艳军, 叶永辉, 关伟锋, 陈雨寒, 朱学明, 吴勇波. 基于PVD涂层刀具的钛合金超声辅助铣削工艺优化及磨损机理研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(23): 344-360.
[9]	孙金刚, 刘纪新, 杨敏, 杨玉莹, 李润泽, 张彦彬, 刘明政, 李长河. 超声微磨削生物骨非均匀热源传导机理与三维有限差分模型及验证[J]. 机械工程学报, 2025, 61(19): 363-385.
[10]	刘翔宇, 李常平, 徐默然, 陈洁林, 李树健, 李鹏南. 电火花辅助切削中切屑形成机理及演变过程研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(19): 407-419.
[11]	张政, 丁来法, 张宇鹏, 秦彬皓, 王海燕. 时效温度对Ti35421钛合金真空电子束接头组织和力学性能的影响[J]. 机械工程学报, 2025, 61(18): 127-137.
[12]	王星星, 李新, 施允洋, 潘海成, 丁家伟. 横向超声振动辅助Ti-45Nb铆钉成形性能研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(17): 291-299.
[13]	章雨, 艾如玉, 高岩. 利用微热压印与光刻蚀硅模在钛合金表面构建耐久超疏水结构[J]. 机械工程学报, 2025, 61(16): 116-128.
[14]	易润华, 邓黎鹏, 刘奋成. 航空钛合金电阻点焊的动态特征分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(16): 166-179.
[15]	孙富建, 王磊, 梁志强, 鲁艳军, 肖玉斌, 黄浩, 袁剑平. TC11钛合金电脉冲辅助螺旋铣孔试验研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(13): 407-417.

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Experimental Research on Ultrasonic Spiral Assisted Milling and Grinding of Titanium Alloy Micro Groove

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