航空材料超聲輔助車削的仿真與實(shí)驗(yàn)研究#中英文翻譯#外文翻譯匹配

Ultrasonically assisted turning of aviation materials :simulations and experimental study V.I.Babitsky,A.V.Mitrofanov V.V.Silberschmidt, Abstract Ultrasonically assisted turning of modern aviation materials is conducted with ultrasonic vibration(frequency f=20KHz amplitude a =15m ) superimposed on the cutting tool movement.An autoresonant control system is used to maintain the stable nonlinear resonant mode of vibration through out the cutting process. Experimental comparison of roughness and roundness for workpieces machined conventionally and with the superimposed ultrasonic vibration, results of high-speed filming of the turning process and nanoindentation analyses of the microstructure of the machined material are presented.The suggested finite-element model provides numerical comparison between conventional and ultrasonic turning of Inconel 718 in terms of stress/strain state,cutting forces and contact conditions at the workpiece/ tool interface. KEYWORDS:Ultrasonic,machining,Turning,Finite element modelling, Microstructure 航空材料超聲輔助車削的仿真與實(shí)驗(yàn)研究 萊斯特，拉夫堡大學(xué)機(jī)械工程專業(yè) 摘要 超聲輔助切削現(xiàn)代航空材料，即把 f=20KHz， a=15m的振動(dòng)加載在切削刀具的運(yùn)動(dòng)上。設(shè)置一個(gè)自響應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)維持切削過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行。利用高速光學(xué)成像方法來(lái)試驗(yàn)比較超聲切削和常規(guī)切削得到的工件的表面粗糙度和圓度。利用奈米壓痕方法分析工件便面微結(jié)構(gòu)。利用有限元分析進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真分析鉻鎳鐵合金利用常規(guī)切削和超聲振動(dòng)切削加工之后的拉應(yīng)力 /壓應(yīng)力，加工過(guò)程中的切削力以及工件與刀具的相互作用 。 關(guān)鍵詞： 超聲波加工 ； 車削； 有限元模擬；微觀結(jié)構(gòu) 1 緒論 車削就是利用鋒利的楔形切削刀具把工件表層材料從圓柱形工件上去除的加工過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)被用于各種金屬材料的加工已有幾百年的歷史了。然而，在最近幾十年里，各種合金和復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。有許多新材料已經(jīng)很難用已有的普通的（ CT）車削工藝去加工了，常規(guī)加工方法在應(yīng)用于航天領(lǐng)域的鎳鈦合金不銹鋼的加工中，即使是相對(duì)較低的切削速度，也能引起較高的的切削溫度，隨之而來(lái)的就是更嚴(yán)重的刀具磨 損。這些棘手的材料出現(xiàn)，使得先進(jìn)加工方法更加的刻不容緩。 圖 1 高頻超聲波振動(dòng)疊加在常規(guī)切削刀具上（圖 1），早在 19 世紀(jì) 60 年代就已經(jīng)被關(guān)注和研究，事實(shí)證明，不但對(duì)于超硬合金材料的加工，而且對(duì)像陶瓷、玻璃這樣的脆性材料的加工上，這種方法都是行之有效的。超聲振動(dòng)輔助車削 （ UAT）比起常規(guī)加工工藝來(lái)，切削力相當(dāng)于以前的【 1-4】倍，表面光潔度提高將近 50%，并且噪音降低。至于加工脆性材料例如玻璃和陶瓷材料，當(dāng)前技術(shù)需要長(zhǎng)時(shí)間的昂貴的后期精加工才能保證光學(xué)材料所要求的表面質(zhì)量。而 UAT 則可以在刀具低損耗 和低切削力的同時(shí)，獲得鏡面加工面。 不過(guò)到目前為止， UAT 還沒(méi)有被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，其中很重要的原因是超聲切削過(guò)程中的靈敏度很高，導(dǎo)致了切削效率的降低，當(dāng)更換刀片或者切削載荷改變時(shí) .然而，這種不足最近已經(jīng)隨著自響應(yīng)控制系統(tǒng)的發(fā)明改變了 。 這個(gè)系統(tǒng)使得超聲切削過(guò)程穩(wěn)定而且可以方便的控制。這個(gè)新型控制系統(tǒng)的詳細(xì)說(shuō)明在【 9.10】 .本論文的試驗(yàn)部分則比較研究了 自響應(yīng) 控制系統(tǒng)的 UAT 與常規(guī)切削 另外一個(gè)重要的 UAT 的問(wèn)就是力學(xué)機(jī)械學(xué)問(wèn)題，我們只有很少的研究資料關(guān)于工件與刀具相互作用區(qū)域以及他們對(duì)所加工材料結(jié)構(gòu)的 影響【 3.6.11】。這些著作大部分研究超聲波加工機(jī)裝置的力學(xué)問(wèn)題而不是加工材料對(duì)超聲切削的響應(yīng)問(wèn)題。當(dāng)有一個(gè)清晰地認(rèn)識(shí)到這一過(guò)程， UAT 加工肯定會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。本文的主要目的是研究與數(shù)值模擬的 UAT 過(guò)程中的材料力學(xué)。 2 實(shí)驗(yàn)研究 研究 UAT的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示。工件被固定在萬(wàn)能車床上勻速旋轉(zhuǎn) 高頻電脈沖輸入到超聲換能器，激發(fā)耐壓陶瓷套的振動(dòng) 。 振幅在集中器中加強(qiáng)并且傳送到集中器末端的刀具夾具上。切割刀具的振動(dòng)頻率20KHZ，振幅可達(dá) 30um.振動(dòng)可加載在橫向和縱向方向上的工件表面上（如圖 1b所示）這 種自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的切割系統(tǒng)在【 9.10】中有詳細(xì)說(shuō)明。 我們做了一系列的試驗(yàn)來(lái)比較UAT 與 CT 在加工航空材料上的區(qū)別。詳細(xì)說(shuō)明在【 5】中。實(shí)驗(yàn)材料是廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域的鉻鎳鐵合金和高耐熱鎳基合金 。 這些材料耐磨性高，常規(guī)切削時(shí)，切削溫度高，導(dǎo)致刀具鈍化。車削獲得的表面質(zhì)量是金屬切削中的關(guān)鍵因素，加工過(guò)程中的任何變動(dòng)都會(huì)影響到它 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的表面光潔度主要由表面平均粗糙度和圓度來(lái)衡量，使用Tay-Hobson-Talysurf 4 測(cè)量?jī)x，以下是主要技術(shù)參數(shù)：切削深度 d=0.8mm,進(jìn)給速度 S=0.05mm/rev ， 切削速度V=17m/min。 UAT 與 CT 參數(shù)設(shè)置相同 。 圖 2 圖 2.a 中展示了典型的INCONEL718 加工過(guò)程的軸向剖面圖 。 顯然， UAT 加工的工件表面粗糙度降低了將近 50%， 而且表面輪廓更加圓整，從軸向輪廓看外表面更加圓滑。而且還獲得了另外一個(gè)工件圓度重大改進(jìn)（圖 2.b）： CT 的圓度峰谷差為 4.2um，然而 UAT 能達(dá)到 1.89um，因此，當(dāng)超生振動(dòng)波加載在刀具運(yùn)動(dòng)上的時(shí)候，表面圓度能提高將近 40%。值得注意的是其他研究者也得到了類似的結(jié)論【 7.12】在切線方向上加載振動(dòng) 顯然，這些進(jìn)步變化的原因 就是切削過(guò)程的不同，由超聲波振動(dòng)引起的刀具與切屑的高頻碰撞，這導(dǎo)致了材料變形過(guò)程的改變和摩擦力的改變，以及車床刀具工件組成的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化【 6， 11】主要原因在于高頻超聲波超乎自然頻率。 除了表面質(zhì)量之外，機(jī)械加工面的 微 結(jié) 構(gòu) 也 是 一 個(gè) 試 驗(yàn) 指 標(biāo) 。INCONEL718 工 件 切 削 用 量 相 同（ V=3.6m/min,d=0.1mm,s=0.03mm/rev）的情況下，在切線方向加載超生振動(dòng)和沒(méi)有加載的情況相對(duì)比。然后 ,利用 MicroMaterials Ltd 生產(chǎn)的納米測(cè)試平臺(tái)來(lái)測(cè)驗(yàn)表層結(jié)構(gòu)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，由切削過(guò)程中的高溫變形引起的硬化層厚度， UAT 是 CT 的一半 (40和80)再者 ,UAT 硬化層的平均硬度（大約 15GPa）是 CT 的一半，非常接近未處理材料（ 7GPa）材料硬度也增加了，殘余塑性變形也增加了。因此，納米壓痕試驗(yàn)顯示 ， UAT 加工殘余應(yīng)力低，我們可以從中得出結(jié)論， UAT 加工工藝精度更高。 3 UAT數(shù)值分析 有限元仿真是一個(gè)仿真加工過(guò)程的主要工具它被用于仿真切削過(guò)程已經(jīng)有 30多年了?，F(xiàn)有仿真金屬車削的概況在【 13， 14】中有詳細(xì)介紹。然而 ,據(jù)作者所 知 ,迄今為止還沒(méi)有沒(méi)有專門的 UAT 模型。本文所涉及的二維有限元仿真模型基于 MSC Marc15代碼。正交切削過(guò)程如下。在切割和進(jìn)給方向上這個(gè)切削過(guò)程的刀具都是正常的圖 1b 顯示了工件和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng) ,圓柱形零件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸跟平面是垂直的。工件恒速度轉(zhuǎn)動(dòng) ,而這個(gè)工具與高頻振動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)頻率 f=20Khz,振幅為 15um，與試驗(yàn)中設(shè)置相同。另外一個(gè)參數(shù)是切削余量為 t1=0.1mm(符合切削深度 )， 刀具前角為 r=10 度，切削速度 V=9m/min.在每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，都是這樣的參數(shù)。材料常數(shù)從【 16】中得出 .利用運(yùn)動(dòng)學(xué)分 析刀具左右兩 側(cè)和底部 Vx|AH=V, Vx|FG=V, Vx|HG=V, VY|HG=0. 溫度邊界條件分析主要是包括熱從工件表面和刀具以及周圍環(huán)境的對(duì)流 其中 K 表示傳導(dǎo)率 ， H 表示熱傳導(dǎo)系數(shù)， T1 表示環(huán)境溫度，在接觸面內(nèi)，切屑傳給刀具的熱通量可由下式表示： q=H(Tchip-Ttool).H 為熱傳導(dǎo)系數(shù)，Tchip 和 Ttool 分別為切屑和刀具表面溫度。 該模型的建立考慮到了以下影響應(yīng)力與應(yīng)變的因素： （ 1） 刀具與切屑接觸面的相互摩擦 （ 2） 非線性 的材料特性，包括材料 應(yīng)變率對(duì)材料屈服應(yīng)力的影響。 （ 3） 熱 -機(jī)械耦合效應(yīng)也就 是機(jī)械的以及熱傳導(dǎo)的內(nèi)在聯(lián)系。 圖 3 UAT 的有限元模擬在一個(gè)周期振動(dòng)主要可分為四個(gè)階段。在第一階段(圖 3a)、刀具靠近切屑 ;第二階段 ,刀具開(kāi)始接觸切屑和切除的工作達(dá)到最大特征 是 生成過(guò)程中應(yīng)力達(dá)到最大標(biāo)志著的第二階段 (圖 3b)的結(jié)束。接下來(lái)是卸載 :刀具速度的方向改變，并且向后移動(dòng)，這個(gè)工具的速度超過(guò)了切削速度 (由于切屑回彈效應(yīng) )。在這一階段里 ,在這個(gè)過(guò)程中彈性應(yīng)變下降。最后一個(gè)階段，刀具與切屑完全分離(圖 3c) 刀具和切屑的間歇接觸是 CT 和 UAT的最大區(qū)別。如圖 3c 所示， CT 過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)幾乎是不 變的。最高的應(yīng)力集中剪切區(qū)域分布在如圖 1 所示 BE線兩側(cè)。緊挨著前刀面 EK。與之相反的是， UAT 的應(yīng)力狀態(tài)變化周期非常短暫。最大值時(shí)與 CT 是一樣的，在超聲震動(dòng)切削的其他階段（圖 3a 和 c），當(dāng)?shù)毒卟慌c切屑接觸的時(shí)候，材料的平均應(yīng)力和相互作用力都比 CT 小很多。通常是幾倍的減少。對(duì)這一現(xiàn)象的詳細(xì)研究可在資料【 1， 3， 4】中找到。 4 切屑形成過(guò)程的研究 切屑的形成過(guò)程是金屬切削加工過(guò)程中最重要的 ， 因此研究切屑在加載超聲震動(dòng)周期內(nèi)的形成很有意義。在 UAT 與 CT 加工 Inconel718 的比較實(shí)驗(yàn)中：柯達(dá) Ektapro HS 運(yùn)動(dòng)分析儀4540 用于實(shí)時(shí)觀測(cè)刀具與切屑的相互作用。 UAT 的變形主要集中在沿著刀尖附近在工件表面上，刀具下邊也是同樣情形。這個(gè)觀察結(jié)果與奈米壓痕實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論相同。最后表明，加載超聲波的切削使得切屑形成更加有規(guī)律，因而帶狀切屑的形成增多。相比之下 ， CT 產(chǎn)生的多為節(jié)狀切屑，主要由于不規(guī)則震動(dòng)引起。掃描電子顯微鏡研究 UAT 與 CT 產(chǎn)生的切屑的微結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了這一結(jié)論， UAT 有微小鋸齒狀，而 CT 多為節(jié)狀。為了試驗(yàn)觀察我們建立了一個(gè)切屑數(shù)字化模型， FE仿真結(jié)果顯示了切割區(qū)域塑性應(yīng)變的分配。在切割刃附近和樣本的表面，塑 性應(yīng)變達(dá)到最大值。 圖 4 5 刀具和切屑的溫度 在切削過(guò)程中 ,塑料變形和刀具和工件之間的摩擦可以導(dǎo)致工件和刀具的高溫，改變了材料特性。真正的增加 ,其轉(zhuǎn) ,改變材料的性能 ,例如屈服應(yīng)力，導(dǎo)熱性以及比熱，影響了工件的變形過(guò)程。這是 UAT 與 CT 的顯著不同點(diǎn)。我們使用紅外線拍攝來(lái)測(cè)量工件與切削刃的溫度分布。 Agema 880 熱視系統(tǒng)用于這項(xiàng)測(cè)試。紅外線單幀圖片顯示了 UAT 與 CT 的切削過(guò)程，超聲震動(dòng)切割過(guò)程中的溫度分布成像只能用 105 幀 每秒 的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。 我們發(fā)現(xiàn) CT 與 UAT 溫度分布有很大不同。在所有的不 同實(shí)驗(yàn)條件下，也就是不同切削深度，不同切削速度，不同切削刃 ， UAT 要比 CT 高 15%。這個(gè)結(jié)論是用精密儀器測(cè)試得出的，這個(gè)結(jié)果很有趣，因?yàn)椤?11】中得出了完全相反的結(jié)論。高出部分主要是由超聲震動(dòng)引起的，不同的切屑和材料屈服應(yīng)力的增加主要由于 UAT 高應(yīng)變率導(dǎo)致的高溫 UAT 加工過(guò)程中的溫度分布特性主要由紅外熱成像法得到， 圖 5a 中有詳細(xì)介紹。 由于不同比率，幾乎不可能得到一個(gè)直接的定量 . 圖 5 6 結(jié)論 用實(shí)驗(yàn)測(cè)量及數(shù)值研究的方法來(lái)比較常規(guī)車削和超聲輔助車削證明了新技術(shù)在加工難加工材料上的優(yōu)勢(shì)是不可替代的。表面 粗糙度和圓度比都有了將近 50%的提高。對(duì)工件