分离-接触特征对钛合金超声振动辅助铣削加工特性影响规律研究

doi:10.3901/JME.2024.09.097

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (9): 97-113.doi: 10.3901/JME.2024.09.097

扫码分享

分离-接触特征对钛合金超声振动辅助铣削加工特性影响规律研究

周京国^1,2, 张宇航³, 隋天一^1,2, 行登海⁴, 董宝昆^1,2, 付清宇^1,2, 付俊帆^1,2, 林彬^1,2

1. 天津大学机械工程学院天津 300350;
2. 天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津 300350;
3. 中国舰船研究设计中心武汉 430064;
4. 航空工业西安飞行自动控制研究所西安 710076

收稿日期:2023-05-18 修回日期:2023-12-09 出版日期:2024-05-05 发布日期:2024-06-18
作者简介:周京国，男， 1996 年出生，博士研究生。主要研究方向为先进陶瓷等硬脆材料超声振动加工。E-mail： zjgtjd@tju.edu.cn;隋天一(通信作者)，男， 1988 年出生，博士，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为陶瓷基复合材料等硬脆材料高效低损加工装备及工艺。E-mail： suity@tju.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52275207)、天津市自然科学基金(22JCZDJC00050)和航空科学基金(ASFC-20180748004)资助项目。

Effect of Separation-contact on the Processing Characteristics of Ultrasonic Vibration-assisted Milling of Titanium Alloy

ZHOU Jingguo^1,2, ZHANG Yuhang³, SUI Tianyi^1,2, XING Denghai⁴, DONG Baokun^1,2, FU Qingyu^1,2, FU Junfan^1,2, LIN Bin^1,2

1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350;
2. Key Laboratory of Advanced Ceramics and Processing Technology of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300350;
3. China Ship Research and Design Center, Wuhan 430064;
4. AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute, Xi’an 710076

Received:2023-05-18 Revised:2023-12-09 Online:2024-05-05 Published:2024-06-18

摘要/Abstract

摘要： 超声振动铣削中分离-接触特征会影响钛合金的高效高质量加工，为了更深入的认识分离-接触特征对超声振动辅助铣削的影响，建立了接触率、平均切厚比的铣削模型，并提出基于平均切厚比的超声作用判别准则；通过开展铣削实验，讨论了周期性与持续性接触超声铣削中接触率与平均切厚比的作用机理；研究了不同铣削与超声参数对刀具磨损的影响规律。结果表明：在纵向超声振动辅助铣削钛合金时，分离效应与平均切厚效应共同作用使得超声加工相较于传统加工能改善加工质量，在周期性接触铣削中，刀具-工件周期性接触的间歇切削现象引起的分离效应是铣削力与表面质量改善的主要因素，在持续性接触铣削中(接触率为1)，单位周期的平均切削厚度降低现象引起的平均切厚效应使得在一定范围内刀具-工件不分离也能降低铣削力，改善表面质量； Ti-6Al-4V钛合金存在临界切入速度值，约为42 m/min，合理搭配主轴转速及超声振幅可改变切入速度以防止刀具磨损，这对钛合金的高效高质量加工与工艺控制具有重要的作用。

关键词: 接触率, 平均切厚比, 超声振动辅助铣削, 钛合金, 加工特性

Abstract: The separation-contact in ultrasonic vibration milling will affect the high-efficiency and high-quality machining of titanium alloys. To further understand the influence of separation-contact on ultrasonic vibration-assisted milling, the milling models of contact rate and average cut thickness ratio are established, and the discrimination criterion of the ultrasonic action based on the average cut thickness ratio is proposed. By carrying out milling experiments, the mechanism of contact rate and average cut thickness ratio in periodic and continuous contact ultrasonic milling is discussed. The effect of milling and ultrasonic parameters on the tool wear of titanium alloy is investigated. The results show that the separation effect and the average thickness effect can improve the machining quality compared with traditional machining in longitudinal ultrasonic vibration-assisted milling of titanium alloy. In periodic contact milling, the separation effect caused by intermittent cutting of the cutter-workpiece is the main factor in reducing the force and improving the surface quality. In continuous contact milling (contact rate is 1), the average cutting thickness effect caused by the decrease of the average cutting thickness per unit period can reduce the force and improve the surface quality within a certain range. There is a critical cutting speed value of Ti-6Al-4V titanium alloy, which is about 42 m/min. A reasonable combination of spindle speed and ultrasonic amplitude can change the cutting speed to prevent tool wear. This plays an important role in the high-efficiency and high-quality machining and process control of titanium alloys.

Key words: contact rate, average cut thickness ratio, ultrasonic vibration milling, titanium alloy, processing characteristics

中图分类号:

周京国, 张宇航, 隋天一, 行登海, 董宝昆, 付清宇, 付俊帆, 林彬. 分离-接触特征对钛合金超声振动辅助铣削加工特性影响规律研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 97-113.

ZHOU Jingguo, ZHANG Yuhang, SUI Tianyi, XING Denghai, DONG Baokun, FU Qingyu, FU Junfan, LIN Bin. Effect of Separation-contact on the Processing Characteristics of Ultrasonic Vibration-assisted Milling of Titanium Alloy[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(9): 97-113.

导出引用管理器 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

链接本文: http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.09.097

http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2024/V60/I9/97

参考文献

[1] 张翔宇，路正惠，彭振龙，等. 钛合金的高质高效超声振动切削加工[J]. 机械工程学报，2021，57(5)：133-147. ZHANG Xiangyu，LU Zhenghui，PENG Zhenlong，et al. High quality and efficient ultrasonic vibration cutting of titanium alloys[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(5)：133-147.
[2] ZHANG X S，CHEN Y J，HU J L. Recent advances in the development of aerospace materials[J]. Progress in Aerospace Sciences，2018，97(FEB)：22-34.
[3] 丁文锋，奚欣欣，占京华，等. 航空发动机钛材料磨削技术研究现状及展望[J]. 航空学报，2019，40(6)：6-41. DING Wenfeng，XI Xinxin，ZHAN Jinghua，et al. Research status and future development of grinding tectnology of titaniurm materials for aero-en-gines[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2019，40(6)：6-41.
[4] 贾东洲，李长河，张彦彬，等. 钛合金生物润滑剂电牵引磨削性能及表面形貌评价[J]. 机械工程学报，2022，58(5)：198-211. JIA Dongzhou，LI Changhe，ZHANG Yanbin，et al. Grinding performance and surface morphology evaluation of titanium alloy using electric traction bio micro lubricant[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022，58(5)：198-211.
[5] EZUGWU E O，WANG Z M. Titanium alloys and their machinability—a review[J]. Journal of Materials Processing Technology，1997，68(3)：262-274.
[6] CUI X，LI C H，DING W F，et al. Minimum quantity lubrication machining of aeronautical materials using carbon group nanolubricant: From mechanisms to application[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2022，35(11)：85-112.
[7] LIU J Y， LI Y H，CHEN Y，et al. A review of low-temperature plasma-assisted machining: from mechanism to application[J]. Frontiers of Mechanical Engineering，2023，18(1)：18.
[8] YANG Z C，ZHU L D，ZHANG G X，et al. Review of ultrasonic vibration-assisted machining in advanced materials[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture，2020，156：103594.
[9] YANG H J，DING W F，CHEN Y，et al. Drilling force model for forced low frequency vibration assisted drilling of Ti-6Al-4V titanium alloy[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2019，146：103438.
[10] LIU X F，WANG W H，JIANG R S，et al. Analytical model of cutting force in axial ultrasonic vibration-assisted milling in-situ TiB2/7050Al PRMMCs[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2021，34(4)：160-173.
[11] LOTFI M，AMINI S，AKBARI J. Surface integrity and microstructure changes in 3D elliptical ultrasonic assisted turning of Ti–6Al–4V: FEM and experimental examination[J]. Tribology International，2020，151：106492.
[12] 张园，徐念伟，鲍岩，等. 轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测[J]. 机械工程学报，2023，59(5)：307-316. ZHANG Yuan，XU Nianwei，BAO Yan，et al. Surface topography and roughness prediction of axial ultrasonic assisted facing grinding metal[J]. Journal of Mechanical Engineering，2023，59(5)：307-316.
[13] FANG B，YUAN Z H，LI D P，et al. Effect of ultrasonic vibration on finished quality in ultrasonic vibration assisted micromilling of Inconel718[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2021，34(6)：209-219.
[14] CHEN G，ZOU Y H，QIN X D，et al. Geometrical texture and surface integrity in helical milling and ultrasonic vibration helical milling of Ti-6Al-4V alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology，2020，278：116494.
[15] PENG Z L，ZHANG X Y，ZHANG D Y. Improvement of Ti–6Al–4V surface integrity through the use of high-speed ultrasonic vibration cutting[J]. Tribology International，2021，160：107025.
[16] LI Z Y，ZHU L D，YANG Z C，et al. Investigation of tool-workpiece contact rate and milling force in elliptical ultrasonic vibration-assisted milling[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2022，118：585-601.
[17] NATH C，RAHMAN M. Effect of machining parameters in ultrasonic vibration cutting[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2008，48(9)：965-974.
[18] CHEN W Q，HUO D H，HALE J，et al. Kinematics and tool-workpiece separation analysis of vibration assisted milling[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2018，136：169-178.
[19] NI C B，ZHU L D，LIU C F，et al. Analytical modeling of tool-workpiece contact rate and experimental study in ultrasonic vibration-assisted milling of Ti–6Al–4V[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2018，142-143(2018)：97-111.
[20] PENG Z L，ZHANG X Y，ZHANG D Y. Effect of radial high-speed ultrasonic vibration cutting on machining performance during finish turning of hardened steel[J]. Ultrasonics，2021，111：106340.
[21] 刘佳佳，姜兴刚，张德远. 钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削切屑特征和刀具磨损研究[J]. 机械工程学报，2019，55(19)：186-194. LIU Jiajia，JIANG Xinggang，ZHANG Deyuan. Research on the characteristics of chips and tool flank wear in high-speed rotary ultrasonic elliptical machining for side milling of Ti-6Al-4V[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55(19)：186-194.
[22] 刘佳佳，姜兴刚，高泽，等. 高速旋转超声椭圆振动侧铣削振幅对钛合金表面完整性影响的研究[J]. 机械工程学报，2019，55(11)：215-223. LIU Jiajia，JIANG Xinggang，GAO Ze，et al. Investigation of the effect of vibration amplitude on the surface integrity in high-speed rotary ultrasonic elliptical machining for side milling of Ti-6Al-4V[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55(11)：215-223.
[23] DING H，CHEN S J，CHENG K. Two-dimensional vibration-assisted micro end milling：Cutting force modelling and machining process dynamics[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture，2020，1：1-9.
[24] SHEN X H，ZHANG J H，LI H，et al. Ultrasonic vibration-assisted milling of aluminum alloy[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，63：41-49.
[25] GAO G F，XIA Z W，SU T T，et al. Cutting force model of longitudinal-torsional ultrasonic-assisted milling Ti-6Al-4V based on tool flank wear. Journal of Materials Processing Technology，2021，291：117042.
[26] TAO G C，MA C，SHEN X H，et al. Experimental and modeling study on cutting forces of feed direction ultrasonic vibration-assisted milling[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，90：709-715.
[27] BUDAK E，ALTINTAS Y，ARMAREGO E. Prediction of milling force coefficients from orthogonal cutting data[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering，1996，118(2)：216-224.
[28] 倪陈兵，朱立达，宁晋生，等. 超声振动辅助铣削钛合金铣削力信号及切屑特征研究[J]. 机械工程学报，2019，55(7)：204-216. NI Chenbing，ZHU Lida，NING Jinsheng，et al. Research on the characteristics of cutting force signal and chip in ultrasonic vibration-assisted milling of titanium alloys[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55(7)：204-216.
[29] 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)：623301. 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)：623301.

分离-接触特征对钛合金超声振动辅助铣削加工特性影响规律研究

Effect of Separation-contact on the Processing Characteristics of Ultrasonic Vibration-assisted Milling of Titanium Alloy

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[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]	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.
[3]	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.
[4]	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.
[5]	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.
[6]	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.
[7]	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.
[8]	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.
[9]	赵朔, 郭蒙, 任宇航, 谢依莲, 杨光, 王向明. 高球形度钛基复合粉末制备与激光选区成形[J]. 机械工程学报, 2025, 61(13): 429-439.
[10]	赵鹏康, 洪振宇, 张敏, 肖旭东, 袁启龙, 陶军, ANTUNES Elsa, 麻宁绪. TC21钛合金线性摩擦焊接头高韧性化机理研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(12): 127-140.
[11]	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.
[12]	武韩强, 陈卓, 叶曦珉, 张诗博, 李偲偲, 曾江, 汪强, 吴勇波. 钛合金超声辅助等离子体氧化改性磨削基本加工特性研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 13-25.
[13]	董志刚, 王中旺, 冉乙川, 鲍岩, 康仁科. 碳纤维增强陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工技术的研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 26-56.
[14]	郑开魁, 赵信哲, 牟刚, 任志英. 超声波滚压强化TC11钛合金的表面质量与摩擦磨损性能[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 137-151.
[15]	肖贵坚, 刘振扬, 贺毅, 刘岗, 邓忠才. 激光辅助CBN砂带磨削TC4钛合金材料去除行为及表面完整性研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 241-253.