发布日期：2026-5-19 9:43:06
引言
钛合金凭借其较低的密度与较高的强度，表现出优异的比强度与比刚度，已成为航空工业中关键承力部件的重要材料[1][2]。TC4作为典型钛合金，虽然综合性能突出，但在常规铣削过程中，由于其导热性差、化学亲和力高，易导致切削力增大、温度升高、刀具磨损快及表面质量差等一系列工艺难题，严重制约了加工效率与零件表面质量[3-5]。
大量研究表明，超声振动利用其运动学特性将常规连续铣削过程变成断续的铣削过程，对切削力、刀具寿命、加工质量等方面的提升有着明显效果:CHEN等[6]使用圆弧铣刀对TC4钛合金进行了常规铣削和纵向超声振动铣削试验，发现在低速、大切宽和大每齿进给量条件下，超声振动铣削的主切削力与常规铣削相比显著降低，切削力随刀具磨损加剧而增长的速度也更为缓慢。BAI等[7]对纵向超声振动铣削后TC4钛合金加工表面和切屑的显微组织进行分析，并通过测量显微硬度进行辅助验证，证明了引入超声振动可使加工表面和切屑的平均晶粒尺寸增大，尺寸分布更均匀，减轻表面损伤程度，提升工件的表面质量。姜兴刚等[8]研究指出，采用微钝化刀具的椭圆超声薄切强化工艺能有效增加钛合金表面强化层厚度。经酸洗后，该工艺仍可保留较厚的塑性变形层与较大的表面残余压应力，并使疲劳源由表面转移至亚表面，从而使疲劳寿命最大提升10.7倍。李玉强等[9]通过试验验证了椭圆超声振动铣削对表面质量的改善作用。结果表明，椭圆超声振动可稳定降低表面粗糙度值，其形成的致密纹理使表面峰谷分布更为均匀，同时将连续切削转变为脉冲切削，减小单齿切削厚度。牛赢等人[10]通过纵扭超声振动铣削与常规铣削的对比试验，研究了该工艺对 TC4钛合金加工效果的影响，发现相对于常规铣削工艺，纵扭超声振动铣削工艺可使平均切削力下降约 16.3%、切削温度降低约 25.6%，表面残余应力值增大约31.3%，改善了关键加工指标并实现了压应力制造。此外，张俊杰等[11]提出了一种振幅比和相位差可调的纵弯超声振动铣削加工方法，并据此进行了 TC4钛合金微铣削试验。结果显示，在刀具上施加纵弯超声振动能有效优化切削状态并提升表面质量。
超声振动按振动模式不同可分为轴向、弯曲及扭转等基本模式以及由基本形式叠加而成的复合模式。纵扭复合超声振动铣削在保持与常规铣削相同进给与旋转运动的同时，还叠加了轴向与扭转方向的高频微幅振动。相较于基本模式的超声振动，复合振动模式在优化加工系统动态特性方面展现出更显著的优势。Rinck等人[12]对比纵向和纵扭复合超声振动铣削TC4的切削力、刀具寿命和表面质量，发现超声振动的引入能够明显降低铣削时的切削力，延长刀具寿命，并提升加工表面质量。且纵扭复合振动在加工效果上优于纵向振动:与仅施加纵向振动相比，纵扭复合振动不仅在其基础上降低了 12.7%的切削力，还使表面粗糙度进一步减少了30nm。郑侃等人[13]在工业机器人上也应用了纵向超声振动与纵扭复合超声振动加工技术，发现纵扭复合超声振动铣削时，工艺稳定区域较纵向超声振动铣削扩大了46.7%，各种工况下的切削力平均下降24.7%，表面刀痕的高度差降低48.7%。
本文聚焦于典型难加工材料TC4钛合金，利用纵扭超声振动加工技术改善其侧铣削加工质量。首先，通过运动学建模与仿真，研究纵扭超声振动铣削时刀尖的运动轨迹。其次，开展纵扭超声振动侧铣削工艺试验，与常规侧铣削进行对比，系统分析超声振幅对切削力、表面形貌、表面粗糙度及表面残余应力的影响。结果表明，在一定范围内调节超声振幅，可使纵扭超声振动侧铣削获得较优的加工性能。
1、纵扭超声振动铣削运动学分析
纵扭超声振动铣削在常规铣削基础上，通过超声振动系统在刀具圆周方向和轴向方向上叠加周期性的高频简谐运动，使得刀具运动轨迹发生改变，刀具后续运动轨迹与先前切削区域部分重合，从而实现刀具与工件的间歇式分离。如图1所示，为量化分析刀具轨迹的空间特征，以初始时刻立铣刀底端平面的回转中心为原点 O，径向方向、进给方向、刀具轴线方向为 X、 Y、 Z方向，建立 O-XYZ直角坐标系，并选取立铣刀刀尖 P点作为研究对象进行运动轨迹分析。
常规铣削过程中，刀具随机床主轴绕 Z轴旋转运动的同时沿Y轴进给，P点的轨迹方程可表示为:
式中， n是铣刀转速， v f 是铣刀进给速度， R是铣刀半径。
基于纵扭超声振动特性，刀尖 P点在 Z方向上的运动轨迹仅受纵向超声振动影响，其表达式为:
式中, A 1 是纵向超声振动的振幅, f 1 是纵向超声振动的频率， φ 1 是纵向超声振动的初始相位。
图2为纵扭超声振动铣削非进给状态时，刀尖P点在 XOY平面上的运动轨迹,该平面内纵扭超声振动铣削的运动可等效分解为两部分:一是刀具绕主轴的常规旋转运动，二是超声振动系统引起的周向简谐扭转振动[14]。假设刀尖 P点自初始位置 A点起，沿顺时针方向以角速度 ω转动，经过时间 t到达B点。伴随刀具的旋转，其切削刃还产生了切向的简谐振动，最终经合成运动后，刀尖 P实际运动到 C点，其坐标表达式为:
式中， A 2 是扭转超声振动的振幅， f 2 是扭转超声振动的频率， φ 2 是扭转超声振动的初始相位。
综上分析，基于运动合成原理，可得到纵扭超声振动铣削时刀尖P点的运动轨迹为:
结合上式(1)(4)的运动轨迹方程,利用 MATLAB软件绘制的常规铣削和纵扭超声振动铣削刀尖运动轨迹如图 3所示，各仿真参数见表 1。由于试验选用的超声振动系统为单激励驱动，运动轨迹方程中纵向超声振动与扭转超声振动的频率、初始相位一致，纵扭相位差为零，即 f 1 = f 2 = f、φ 1 = φ 2 。
表1 纵扭超声振动铣削刀尖轨迹仿真参数设置
| 仿真参数 | 参数值 |
| 刀具半径R(mm) | 5 |
| 主轴转速n(r/min) | 600 |
| 每齿进给量f(mm/z) | 0.05 |
| 超声频率f(kHz) | 19.2 |
如图 3所示，纵扭超声振动铣削时刀尖运动轨迹表现为空间三维曲线，而常规铣削轨迹则是局限于XOY平面内的二维曲线。由于仿真所设主轴转速低于扭转振幅对应的临界转速,即刀具可实现周期性回转的最大转速 n c = 60f 2 A 2 /R，刀具在扭转方向上能与工件发生周期性分离。此外，刀具在 Z轴方向的高频微幅振动，使得刀-件分离的极限速度高于单一扭转振动的临界速度。这意味着即使主轴转速超过该临界值，刀具与工件之间仍可能产生间歇式分离。这种分离效应使纵扭超声振动铣削从常规铣削的连续切削转变为高频断续切削，有效减少了净切削时间，同时纵扭超声振动特有的运动轨迹还对工件表面产生了间歇性的冲击和熨压作用。
2、试验条件与试验方案
2.1试验平台搭建
为考察纵扭超声振动加工技术应用于TC4钛合金侧铣削时的实际性能，设计搭建了如图4所示的试验平台。该平台由机床、刀具、超声振动系统、工装夹具和工件组成。机床采用辰榜数控AVL850加工中心。刀具采用四刃硬质合金立铣刀，刀具直径为10mm，刃长30mm，总长75mm。超声振动系统由实验室自行研制，主要包括超声驱动控制器、传输装置、超声换能器及变幅杆四部分。试验过程中，超声驱动控制器发出的超声频电信号经电磁发射模块以电磁波的形式传输至超声刀柄内部的换能器，驱动其产生纵向超声振动，该振动通过斜槽式变幅杆转换和放大，产生纵扭复合超声振动并最终传递至与变幅杆末端相连的刀具。工件采用尺寸为150 mm40 mm20 mm的TC4钛合金块，其通过工装夹具安装于测力计上方，测力计则固定在加工中心工作台上，可采集试验过程中的切削力数据。
试验开始前还需对超声振动系统的关键参数进行标定。如图5和图6所示，测得超声频率为19.2 kHz，且在研究参数范围内，纵扭比作为超声振动系统固有属性始终保持在0.44:1左右，因此下文中的超声振幅均指扭振振幅。
2.2试验方案设计
以超声振幅为自变量进行单因素试验，参数选取范围根据铣削经验和超声振动系统的输出参数确定，主轴转速、每齿进给量、切削宽度和切削深度为固定值，具体数值如表2和表3所示。试验采用侧铣-顺铣的铣削方式，为避免刀柄不同、工件材料变质层、工件宏观几何误差等因素对试验结果的潜在干扰，两种加工工艺都使用超声刀柄加工，通过控制超声驱动控制器开关实现纵扭超声振动侧铣削和常规侧铣削。且所有待加工试样表面都需要通过一道铣削工序处理至符合最终试验标准的表面状态，每组单因素试验在一次走刀中完成。
表2 试验加工参数设置
| 铣削参数 | 参数值 |
| 主轴转速n(r/min) | 600 |
| 每齿进给量f(mm/z) | 0.05 |
| 切削深度a_{p}(mm) | 4 |
| 切削宽度a(mm) | 0.25 |
表3 试验超声参数设置
| 超声参数 | 参数值 |
| 超声振幅4(μm) | 1、2、3、4 |
| 超声频率f(kHz) | 19.2 |
2.3试验结果测量
试验观测表征的结果包括铣削过程中的切削力以及加工后工件的表面形貌、表面粗糙度和表面残余应力。切削力通过 Kistler9527B多分量测力计测量，可采集X、Y、Z三个正交分量的切削力数据。测力计采样频率越高测得的切削力越接近真实值，因此将采样频率设为最高的125kHz。表面形貌由基恩士超景深显微镜搭配50x的倍镜进行拍摄。表面粗糙度值也使用基恩士进行测量，测量精度设为 0.2μm，测量时框选同一切深的3个不同位置，对测得的表面粗糙度值取平均作为该参数的试验结果。加工表面的残余应力由PROTO立式X-射线衍射仪沿进给方向测得，每组参数测量3个样本点，取平均值作为试验结果。
3、试验结果与分析
3.1切削力分析
结合图1与图4所示的侧铣加工方式和刀具姿态可知:X轴正方向为刀具径向切入方向，Y轴正方向为刀具进给方向，Z轴正方向为刀具轴线上远离工件的方向，因此侧铣削径向切削力与轴向切削力分别对应X轴正方向与Z轴负方向的切削分力。
图7是侧铣削径向切削力及轴向切削力随超声振幅的演变规律。结果表明，纵扭超声振动侧铣削的径向切削力和轴向切削力平均值均始终低于常规侧铣削(A2=0μm)，随着超声振幅的增大，上述两个方向的平均切削力持续下降，且其减小速度呈递增趋势。相同切削参数条件下，常规侧铣削的径向切削力和轴向切削力分别为32.26N和7.59N，而超声振幅为4μm时，纵扭超声振动侧铣削的径向切削力和轴向切削力平均值达到最低值，分别为30.4N和5.51 N,较常规侧铣削切削力的降幅为5.77%和27.37%。分析上述结果产生的原因，这是由于随着振幅的增大，纵扭超声振动的间歇式分离特性越发显著。一方面引起侧铣削实际切削参数发生周期性改变，刀屑间的摩擦状态在这一动态过程中由瞬时静摩擦力转变为瞬时动摩擦力，从而降低了切削力[15]，另一方面刀具-工件、刀具-切屑间发生断续分离，使得刀具散热时间增加，刀具磨损减小，有助于进一步降低切削力。
图8是两种工艺方法条件下刀具在一个完整回转周期内径向切削力和轴向切削力的变化曲线。根据图8可以看出，由于切削力方向与测力计的正方向相反，径向切削力和轴向切削力的切削力曲线大部分位于y轴负半轴，因此讨论分析时只关注切削力的时域形状特征和绝对值大小。由于纵扭超声振动侧铣削过程中，刀-件、刀-屑间发生高频次的分离和接触，纵扭超声振动侧铣削的切削力发生有规律的周期性波动，而常规侧铣削的切削力曲线表现为不规则的随机波动[16][17]，对比两种工艺方法的切削力曲线还发现纵扭超声振动侧铣削切削力峰值绝对值小于常规侧铣削。
3.2表面形貌和表面粗糙度分析
图9为不同超声振幅侧铣削后加工表面的三维形貌及其对应的表面形貌。如图9(a)和(f)所示，常规侧铣削( A 2 = 0μm)后，加工表面上有明显的进刀痕迹和直线状切削痕迹。从图9(b)~(e)和7(g)~(j)可以看出，受纵扭超声振动作用的影响，切削刃的运动轨迹出现交叉重叠的现象，从而在加工表面上形成了沿进给方向不断延伸的波浪状微观纹理，且随着超声振幅逐渐增大，波浪状的微观纹理也愈发明显。超声振幅A2=1μm的纵扭超声振动侧铣削，超声振动切削痕迹不明显。超声振幅增大至A=2μm时，所获得的形貌质量最好，加工表面形成规则的峰谷特征，并覆盖了进刀痕迹。当超声振幅继续增大， A2=4μm的纵扭超声振动侧铣削加工表面形成了致密但不规则的波浪状微观纹理，峰谷起伏加剧。
图10是侧铣削表面粗糙度随超声振幅的演变规律。结果表明，在表面粗糙度方面，纵扭超声振动侧铣削较常规侧铣削展现出更优的表现。随着超声振幅的增加，表面粗糙度值呈现先显著降低，后逐步升高的变化趋势。常规侧铣削(A2=0μm)加工表面的表面粗糙度值为2.029μm。当超声振幅A2=2μm时，加工表面粗糙度达到最优值，其值下降至1.804μm，较常规工艺降低了11.08%。据前面试验分析结果，适度增大超声振幅有助于改变刀具-切屑之间的摩擦状态，降低切削力，同时叠加超声振动可以使加工表面不规则的直线切削痕迹转变成为规则的波纹状微观纹理，从而改善表面加工质量[14][18]。超声振幅进一步增加时，过大的超声振幅会使刀具的切削深度以及振动速度极值增大，工件微小加工区域承受的振动冲击增大，产生不规则刀痕，导致表面的峰谷起伏加剧，反而使表面质量恶化[19][20]。
3.3残余应力
图11为侧铣削表面残余应力随超声振幅的演变规律。在本文试验参数范围内，试样加工表面均表现为残余压应力，且残余压应力的大小随超声振幅的增大呈上升趋势。造成此现象的主要原因是一方面超声振幅增大使得占空比增大，净切削时间减少，有助于降低切削温度。另一方面随着超声振幅的增大，超声振动对加工表面的冲击和熨压作用增强。具体数据显示，常规侧铣削(A2=0μm)的表面残余应力为-93.69 MPa，而超声纵扭超声振动侧铣削条件下，表面残余应力可达-106.38MPa，较常规工艺提升约13.55%。
4、结论
(1)纵扭超声振动铣削通过叠加周期性的高频简谐运动，使得刀具处于高频往复的“切削-分离-切削”状态，相较常规铣削时刀具的运动轨迹存在较大差异，这种差异使得纵扭超声振动侧铣削TC4钛合金的切削力、表面形貌、表面粗糙度和表面残余应力得到了改善。
(2)通过不同超声振幅侧铣削切削力的对比试验发现，纵扭超声振动侧铣削的径向切削力和进给切削力平均值均始终低于常规侧铣削(A2=0μm)。随着超声振幅的增大，上述两个方向的平均切削力持续下降，且其减小速度呈递增趋势，较常规侧铣削切削力最大可分别降低5.77%和27.37%。从切削力的时域形状特征和大小来看，纵扭超声振动侧铣削的切削力发生有规律的周期性波动，而常规侧铣削的切削力曲线表现为不规则的随机波动，且纵扭超声振动侧铣削切削力峰值绝对值小于常规侧铣削。
(3)常规侧铣削加工表面能观察到明显的进刀痕迹和直线状切削痕迹迹，而纵扭超声振动振动可以使加工表面形成波浪状的微观纹理，且随着超声振幅增大波浪状的微观纹理愈发明显。适宜的超声振幅下，该微观纹理呈现出规则的峰谷特征，并覆盖了进刀痕迹，超声振幅过大时，波浪状微观纹理致密但不规则，峰谷起伏加剧。
(4)通过对表面粗糙度进行分析，发现纵扭超声振动侧铣削获得的表面粗糙度优于常规侧铣削(A=0μm)，且随着超声振幅的增大表面粗糙度值先减小后增大，纵扭超声振动侧铣削表面粗糙度最小时，较常规侧铣削表面粗糙度降低了11.08%。
(5)在所考察的参数区间内，不同超声振幅侧铣削后加工表面均表现为残余压应力，且压应力的大小随超声振幅的增大呈上升趋势，最大可达233.91 MPa，较常规工艺提升约13.55%。
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（注，原文标题：纵扭超声振动侧铣削TC4钛合金加工性能研究_孙富建）