外文翻譯--航空材料超聲輔助車削的仿真與實(shí)驗(yàn)研究 中文版.doc

Ultrasonicallyassistedturningofaviationmaterials:simulationsandexperimentalstudyV.I.Babitsky,A.V.MitrofanovV.V.Silberschmidt,AbstractUltrasonicallyassistedturningofmodernaviationmaterialsisconductedwithultrasonicvibration(frequencyf=20KHzamplitudea=15m)superimposedonthecuttingtoolmovement.Anautoresonantcontrolsystemisusedtomaintainthestablenonlinearresonantmodeofvibrationthroughoutthecuttingprocess.Experimentalcomparisonofroughnessandroundnessforworkpiecesmachinedconventionallyandwiththesuperimposedultrasonicvibration,resultsofhigh-speedfilmingoftheturningprocessandnanoindentationanalysesofthemicrostructureofthemachinedmaterialarepresented.Thesuggestedfinite-elementmodelprovidesnumericalcomparisonbetweenconventionalandultrasonicturningofInconel718intermsofstress/strainstate,cuttingforcesandcontactconditionsattheworkpiece/toolinterface.KEYWORDS:Ultrasonic,machining,Turning,Finiteelementmodelling,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-Talysurf4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MicroMaterialsLtd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。3UAT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MSCMarc15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