Ti–6Al–4V（TC4）鈦 合 金 具 有比強度高、耐腐蝕性優良和熱穩定性好等優異的機械性能，在航空、航天等領域得到了廣泛應用，這對其表面加工質量也提出了較高的要求[1–2]。

微銑削加工是制備微型部件的一種高效靈活的機械加工方法。然而，由于鈦合金具有高化學親和力、低彈性模量、低導熱率，在銑削加工過程中經常出現切削力過大、切削溫度過高、粘刀、刀具磨損、產生毛刺、表面粗糙度差等問題，亟須提升其銑削加工性能[3–5]。

在銑削加工過程中，鈦合金較低的導熱率導致切削區域集聚大量的切削熱，從而加速刀具磨損與積屑瘤形成。此外，鈦合金較高的塑性延展性使其切屑極易與刀具黏附，也會加速刀具磨損，從而降低加工表面質量。大量研究表明，采用超聲振動輔助手段可以有效地提升多種難加工材料的切削加工性能。在超聲振動輔助銑削加工中，通過對工件或刀具施加高頻、微量的振動來實現間歇式切削，其伴隨的刀具 – 切屑高頻周期性分離可以有效地降低切削力、切削熱和刀具磨損，從而提升加工表面質量[6–8]。目前，常用的超聲振動輔助銑削加工方式分為工件的水平或垂直振動、刀具的一維縱向振動以及刀具的二維縱扭復合振動。中國地質大學 Xu 等[9] 發現對工件施加一維水平超聲振動可以使TC4鈦合金銑削加工的切削力與常規銑削相比降低 17%，還可以有效地減少TC4加工表面缺陷和加工痕跡，從而提高表面質量。然而，工件質量較大使其對振動系統的振幅和頻率具有較大的限制，目前超聲振動輔助銑削的研究主要集中在對質量較小的刀具施加振動這種方式。長春理工大學 Liu等[10] 開展了刀具一維縱向超聲振動輔助銑削加工TC4鈦合金的試驗研究，發現與常規銑削相比，超聲振動輔助銑削可以有效減小刀具磨損和毛刺生成，還可以降低切削力、表面粗糙度和切削溫度。德國慕尼黑工業大學 Rinck 等[11] 發現，超聲振動可以顯著降低TC4鈦合金銑削加工的切削力，改善加工表面質量；他們進一步比較了一維縱振和二維縱扭復合振動對TC4鈦合金超聲振動銑削加工的影響，發現縱扭復合振動輔助比縱向振動輔助的加工效果更優異，相比于縱振銑削對于普通銑削切削力和表面粗糙度的降低，縱扭復合銑削的切削力和粗糙度進一步降低了 12.7% 和 30nm。南京理工大學鄭侃等[12] 發現二維縱扭復合超聲振動輔助銑削穩定域較一維縱振提升了 46.7%，銑削力下降了 24.7%，表面刀痕高度差降低了48.7%。河南理工大學牛贏等[13] 開展了TC4鈦合金的二維縱扭復合超聲振動輔助銑削加工試驗，發現相較于傳統銑削，縱扭超聲銑削能夠使平均切削力降低約 16.3%、切削溫度降低約 25.6%、表面殘余應力值增加 31.3%。此外，北京航空航天大學的姜興剛等[14] 研究了橢圓振動銑削方式，刀尖的特殊運動軌跡使其具有高線速度特性和高頻斷續切削特性，與普通銑削相比，切削力降低可達 50%，零件的形位精度得到了顯著提高。

超聲波振動按照振動類型可以分為縱振、彎振、扭振及其復合振動如縱扭、縱彎和橢圓振動等。不同振動類型的模態不同，刀具與工件的間歇式接觸長度、時間也不同，對加工效果的影響機制也不同。縱扭復合振動僅能實現單相信號激勵，兩個方向的振幅比值和相位均固定不能分別調節，因此限制了其加工應用條件。而縱彎復合振動通過施加兩相獨立且相位差可調的超聲信號，分別激發刀具沿軸向的縱振和沿徑向的彎振，使得縱彎復合振動銑削可以獨立調節兩相振幅幅值和相位，能夠更加靈活地應對不同材質和不同加工參數的加工條件。因此，除了一維縱振和二維縱扭復合振動外，有必要研究刀具的二維縱彎復合振動對 TC4鈦合金銑削加工性能的影響。然而，當前TC4鈦合金的二維復合振動輔助銑削加工主要采用的是刀具縱扭模式，對TC4鈦合金的刀具縱彎復合超聲振動輔助銑削加工未見報道。

因此，本文首先通過解析方法分析了縱彎復合振動輔助銑削運動學特性，據此設計并制造了縱彎復合超聲振動軸，并搭建了三軸聯動縱彎復合超聲振動輔助銑削加工裝置。然后，開展了TC4鈦合金縱彎復合振動輔助銑削加工試驗，并將其切削力大小、毛刺形貌、加工表面粗糙度以及刀具磨損等試驗結果與普通銑削加工進行了對比，證明了應用刀具二維縱彎復合振動輔助提升TC4鈦合金銑削加工性能的可行性。

1 、二維縱彎復合超聲振動輔助

銑削加工裝置設計與搭建

1.1 縱彎復合超聲振動輔助銑削加工運動學分析

超聲振動輔助銑削加工的優點如低切削力、低切削溫度和低表面粗糙度等主要與其間歇式切削機制有關[15]。在縱彎復合超聲振動輔助銑削加工中，在刀具的常規運動上疊加縱彎振動，刀具和工件之間的運動包括工件進給、刀具旋轉和振動，如圖1 所示。

因此，在刀具縱彎復合振動輔助銑削加工中，刀尖的運動學軌跡方程可表示為

式中，r 為刀具半徑；n 為主軸轉速；Vx 和 Vy 分別為 X 和 Y 方向的進給速度，Vy 取 0；f 為超聲振動頻率；Ab 為彎振振幅；Al 為縱振振幅；φ 為縱振超聲信號與彎振超聲信號的相位差，縱振和彎振的振動幅值和相位差分別可控。在本文中，Ab 和 Al 取相同幅值，φ取 π/2。

由圖 2 所示的銑削加工刀尖軌跡運動學可知，在普通銑削加工中刀尖軌跡為圓弧軌跡，刀具始終與工件材料接觸；而在縱彎復合振動輔助銑削加工中刀尖軌跡為均勻的螺旋曲線，刀具與工件材料之間產生周期性的分離和接觸。因此，在刀具上施加縱彎復合振動使傳統的連續加工狀態變為間歇式加工狀態，減少了切削力和切削溫度，并且刀具高頻振動的沖擊作用使切屑更容易斷裂。此外，結合式（1）可知，超聲振動的振幅越大，刀具退刀距離越大，刀 – 屑間歇分離現象越明顯，但是需要避免過大的振幅引起的沖擊力降低加工表面質量；主軸轉速越大，單位旋轉周期內的超聲作用頻次越低，因此需要避免轉速過大減弱超聲振動的作用；進給速度越小，周期之間的超聲振動存在的疊加區域越大，更利于斷屑，但是需要避免過小的進給速度造成銑削加工表面犁耕現象。因此，在縱彎復合超聲振動輔助銑削加工中需要選擇合理的加工參數來保證良好的加工效果。

1.2 三軸聯動縱彎復合超聲振動

輔助銑削加工裝置設計根據縱彎復合超聲振動輔助銑削加工的基本原理，考慮刀具與工件的精密運動軌跡控制以及對切削力的檢測等需求，對三軸聯動縱彎復合超聲振動輔助銑削裝置的總體方案進行了設計。該裝置由縱彎振動輔助銑削加工系統、三軸聯動運動控制系統、切削力檢測系統以及輔助結構組成，如圖 3 所示。其中，縱彎振動輔助銑削加工系統用于實現幅值和相位可控的縱彎復合超聲振動銑削加工；運動控制系統用于實現刀具和工件的精確位移運動控制，輔助上述加工方式的實現；切削力檢測系統用于檢測上述加工過程中的高頻切削力，進一步解釋縱彎復合振動對銑削加工的作用機制。

縱彎振動輔助銑削加工系統由高速主軸、主軸控制器、冷卻氣泵、超聲振動軸及其電源組成。銑削主軸選用日本 NAKANISHI 公司的BMS–4020 電動主軸，并配備 E4000主軸控制器，其額定轉速范圍可達1000~20000r/min，最大扭矩為 1N·m，最大徑向跳動為 1μm。采用空氣壓縮機對主軸進行供氣冷卻。超聲振動軸的設計將在下一節進行具體闡述。

為了滿足微銑削加工中微量進給的要求，需要配備合適的運動控制模塊來完成刀具沿切深方向以及工件在 X–Y 平面的精密運動軌跡控制。

三軸聯動運動控制系統主要由 Z 軸位移平臺、X–Y 二維位移平臺、多軸運動控制器、電機驅動器、電子手輪、PC 上位機等組成。PC 上位機通過以太網與運動控制器連接，可為系統提供應用軟件支撐，使系統控制更為開放和便捷。運動控制器選用泰道IMAC–FX 運動控制器，該運動控制器基于 Turbo PMAC2 內核研制，最高可支持 2 軸模擬量和 4 軸脈沖運動控制，并可擴展兩路手輪通道，系統的穩定性和可靠性較高，滿足加工控制使用要求。Z 軸位移平臺和 X–Y二維位移平臺的行程分別為 150mm和 100mm×100mm，重復定位精度分 別 為 1μm 和 2μm。 在 PMAC 運動控制器軟件 Pewin32 中運行測試腳本文件，同時運行 PmacPlot32 軟件提取坐標數據并繪制運動軌跡，以檢測 X–Y 二維位移平臺的直線運動和聯動圓弧插補運動能力。圖 4 顯示了 X–Y 二維位移平臺實現的聯動圓周運動軌跡曲線，并給出了 5 個檢測點的 X–Y 坐標數據。X 坐標最大誤差出現在 3 號檢測點，為 2.2μm；Y坐標最大誤差出現在 1 號檢測點，為2.5μm，滿足本裝置的運動軌跡精度要求。

切削力檢測系統由壓電式力傳感器、電荷放大器、數據采集器等組成。壓力傳感器選用瑞士 Kistler 公司的 9119AA2 測力板，可檢測 X、Y、Z 3 個方向的作用力，閾值為 0.002N，靈 敏 度 Fx、Fz 為 26pC/N，Fy 為 13pC/N，線性度小于 0.5%FS，采樣頻率為 50kHz。配置 5080A 電荷放大器，具有高、低通濾波功能，漂移為0.03pC/s（25 ℃），最 大 響 應 頻 率 為200kHz。配置 5697 數據采集卡，三通道最大采樣速率為 333kS/s。力檢測系統可滿足 X、Y 和 Z 3 個方向高頻切削力的采集與檢測要求。

1.3 縱彎復合超聲振動軸設計

本研究自行設計并制造的縱彎復合超聲振動軸是實現二維縱彎復合超聲振動輔助銑削加工功能的核心部件，其與高速銑削主軸的裝配實物如圖 5（a）所示。振動軸通過錐形芯軸與高速主軸連接，并通過法蘭兩側的螺栓進行固定。圖 5（b）顯示了振動軸內部的機械結構，包括兩組 PZT 陶瓷、變幅桿、端蓋，還包括集電環、電刷、電極等電路連接附件。兩組 PZT 陶瓷壓緊在端蓋與變幅桿之間。縱振陶瓷和彎振陶瓷組分別含有 2 片和 4 片壓電陶瓷。圖 5（b）中符號“+”和“–”代表壓電陶瓷的極化方向。每片縱振陶瓷具有一個極化方向，而每片彎振陶瓷具有獨立區域的兩個極化方向。當施加交流電壓時，由于縱振陶瓷沿 Z 軸方向高頻伸長和收縮，縱向振動模式被激發；彎振陶瓷的 X+ 和 X– 區域分別變厚和變薄，從而使彎曲振動模式被激發。銑刀通過專用夾套安裝在變幅桿上，并用鎖緊螺母固定，安裝后刀尖的最大徑向跳動為 20μm。變幅桿放大陶瓷的振動幅值并傳遞給銑刀，實現振動輔助銑削加工。區別于以往單組陶瓷激勵方式的振動模式，縱彎復合振動采用兩組獨立 PZT 陶瓷進行激勵。壓電陶瓷激發振動所需高頻電壓由超聲電源提供，超聲電源選用斯特萊特福科技公司的 QD–8D壓電驅動器，該電源可以產生兩路超聲電壓信號，每相獨立輸出功率為 200W，分別用來控制縱振和彎振的振動頻率、幅值及相位。使用日本Keyence 公司的 LK–H020 激光位移傳感器檢測銑刀縱向幅值與橫向幅值。通過標定電壓與幅值的關系，試驗中可分別更改兩路信號的電壓值來設定所需縱振和彎振的振動幅值。

利用 ANSYS 有限元軟件對縱彎復合超聲振動軸進行了模態分析。

通過重復修改變幅桿及端蓋結構，調整縱振和彎振的頻率使其趨于接近。圖 6 給出了一階縱振和三階彎振的模態結果，對應的固有頻率分別為 19.075kHz 和 19.012kHz，兩者頻率相差 63Hz，實現了縱振和彎振之間的頻率匹配。考慮到仿真模型的誤差，使用德國 Polytec GmbH 公司的 PSV–400–M2 激光測振儀進行測振試驗，實際施加的振動頻率取18.41kHz，在此頻率下實現了在同一超聲頻率下分別激發刀具的縱向振動和彎曲振動。

2 、TC4 鈦合金縱彎復合超聲振動輔助銑削加工試驗

2.1 試驗方案

TC4鈦合金縱彎復合超聲振動輔助銑削加工試驗在圖 3 所示的自研銑削裝置上進行。試驗工件材料為 TC4鈦 合 金，尺 寸 為 20mm×10mm×10mm。試驗刀具為 φ1mm 的四刃鎢鋼銑刀，刀具螺旋角為 55°，前角為 3°，后角為 8°，刀刃長度為3mm。由于微銑削刀具抗彎剛度小，選用的進給速度要遠小于常規銑削，銑刀最大進給速度限制在5μm/z，最大加工深度限制在 100μm。由于集電環的壽命限制，主軸最大轉速限制在 3000r/min，實際試驗中采用的轉速為 2000r/min。由于超聲電源電壓限制，最大超聲振幅限制在 7μm。為了研究刀具縱彎復合超聲振動對加工效果的影響，同時開展了無振動施加的普通銑削試驗并進行了對比分析。振動輔助銑削與普通銑削所采用的加工參數如表 1 所示。使用Kistler 動態力測量儀記錄加工過程的切削力，使用數字顯微鏡觀察切屑形貌、銑刀磨損情況以及毛刺現象，使用 Zygo 白光干涉儀觀察銑削表面形貌并對其表面粗糙度值進行測量。

2.2 切削力

圖 7 給出了TC4縱彎復合振動輔助銑削加工過程中 X、Y 和 Z 3 個方向的切削力均方根值隨振動幅值的變化曲線。可以發現，對刀具施加縱彎振動有效地降低了 X 和 Y 方向的切削力，這是由于縱彎振動的刀尖運動軌跡使得刀具與材料的接觸長度減小，可有效地減少刀具切削工件材料的體積。此外，超聲沖擊作用和間歇式刀 – 屑分離特性使得切削區域的切屑流動速度加快，減少了切屑與刀具之間的摩擦阻力。隨著振幅的增大，超聲振動降低切削力的效果更為顯著，X 和 Y 方向的切削力進一步減小。而在振幅超過 5μm 之后，X

和 Y 方向的切削力反而開始逐漸增大，這是由于過大的振幅導致刀具與材料產生沖擊作用，不利于形成穩定的銑削加工狀態。對刀具施加振動對 Z 方向切削力的影響較小，這是由于刀具主要與工件材料側壁接觸產生材料去除，刀具對工件材料底面的影響較小。綜上所述，對刀具施加縱彎復合超聲振動在降低切削力上具有明顯效果，但振幅不宜過大。因此，在接下來的振動輔助銑削與普通銑削的對比試驗中，選用的超聲振動振幅參數固定為 5μm。

2.3 切屑形貌

圖 8 給出了TC4縱彎復合振動輔助銑削和普通銑削加工試驗后的切屑形貌，其中縱彎復合振動輔助銑削的振幅為 5μm。由圖 8 可以觀察到，普通銑削產生的切屑大部分為螺旋狀連續切屑和少量的斷碎切屑，而縱彎復合振動輔助銑削產生的切屑則全部為斷碎切屑。上述結果表明，對刀具施加縱彎復合超聲振動具有明顯的斷屑作用，刀具的間歇式切削運動軌跡使得切屑提前斷裂，更易形成微小的切屑。對切屑形貌進一步放大觀察顯示，普通銑削產生的切屑表面顯示出平行于銑刀周向方向的條紋，而縱彎復合振動輔助銑削產生的切屑表面在平行條紋之間還遍布著許多微小尺寸的高頻振紋，這也反映出縱彎復合振動輔助銑削過程中銑刀與工件材料之間存在高頻間歇接觸。

2.4 毛刺形貌

圖 9 給出了TC4縱彎復合振動輔助銑削和普通銑削加工試驗后的毛刺形貌。可以發現，普通銑削加工形成的凹槽棱邊出現了大量毛刺，而縱彎銑削得到的微槽棱邊僅有少量微小毛刺形成。由于鈦合金具有較大的彈塑性和較低的導熱性，較長的切屑難以排出，材料在凹槽棱邊擠壓產生毛刺，并且毛刺堆積現象在逆銑側更為嚴重。而對刀具施加縱彎復合超聲振動提高了斷屑與散熱能力，使得切屑破碎并快速流出，降低了材料的擠壓效應，進而減少了毛刺的生成，因此可以有效地抑制毛刺的生成。

2.5 加工表面質量

圖 10 給出了TC4縱彎復合振動輔助銑削和普通銑削加工試驗后的工件表面形貌圖。可以看出，普通銑削溝槽表面的粗糙度為 782nm，而縱彎復合超聲振動輔助銑削表面粗糙度為 358nm，降低了 54.2%。圖10（a）顯示普通銑削加工的溝槽表面有連續的刀痕，具有明顯的溝壑缺陷，這是由于鈦合金材料及其切屑與刀具的結合力較大，材料在銑削過程中以剝離方式去除，最終形成表面凹坑。并且，普通銑削加工的溝槽表面有明顯的損傷痕跡，這是由于較長的切屑難以去除，切屑參與加工過程，劃傷溝槽表面導致的。圖 10（b）顯示對刀具施加縱彎復合超聲振動輔助有效地抑制了材料的粘連效應，并且易于切屑快速排出，加工形成的溝槽表面具有魚鱗狀織構。但是由于微銑刀的跳動誤差與顫振，溝槽表面織構的均勻性不高。跳動的存在會影響實際分離切削效果，但超聲作用頻率是遠高于轉速的，因此間歇式切削仍能較好實現。

2.6 刀具磨損

圖 11 給出了TC4縱彎復合振動輔助銑削和普通銑削加工試驗（銑削 10 次 6mm 長度溝槽）后的刀具形貌圖。由圖 11（a）可知，普通銑削后銑刀刀尖鈍化嚴重，直線刃凹凸不平，且出現了明顯的刀 – 屑粘連現象，影響加工表面質量。而施加了縱彎復合超聲振動銑削后的刀具直線刃和刀尖磨損皆較小，如圖 11（b）所示。這是由于對刀具施加縱彎復合超聲振動導致間歇刀 – 屑接觸狀態，減小了切削力，增強了散熱條件，并減少了刀具和材料的粘連現象。

因此可以得出，在TC4鈦合金銑削加工中對刀具施加縱彎復合超聲振動對于減小刀具磨損、延長微銑刀的使用壽命具有積極作用。

3 、結論

針對TC4鈦合金銑削加工性能提升的需求，本文分析了二維縱彎復合超聲振動刀尖運動軌跡運動學原理，設計并搭建了三軸聯動縱彎復合超聲振動輔助銑削裝置，據此開展了TC4 鈦合金縱彎復合超聲振動輔助銑削加工性能的試驗研究，并與普通銑削進行了對比，得出以下結論。

（1）刀具縱彎復合超聲振動輔助銑削加工中刀尖運動軌跡為均勻的螺旋曲線，刀具與工件材料之間產生周期性的分離和接觸，可以實現良好的間歇式切削效果。

（2）刀具縱彎復合振動可通過施加兩相獨立且相位差可調的超聲信號來獨立控制和調節刀具縱振和彎振的振動幅值和相位。

（3）與TC4普通銑削相比，刀具縱彎復合超聲振動輔助銑削在降低切削力，提升斷屑能力，降低加工缺陷，提高表面粗糙度和降低刀具磨損上具有明顯效果。

參 考 文 獻

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通訊作者：劉英想，教授，博士，研究方向為壓電機器人、仿生機器人。

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