外文翻译--航空材料超声辅助车削的仿真与实验研究 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航空材料超声辅助车削的仿真与实验研究莱斯特，拉夫堡大学机械工程专业摘要超声辅助切削现代航空材料，即把f=20KHz，a=15m的振动加载在切削刀具的运动上。设置一个自响应控制系统来维持切削过程中的稳定运行。利用高速光学成像方法来试验比较超声切削和常规切削得到的工件的表面粗糙度和圆度。利用奈米压痕方法分析工件便面微结构。利用有限元分析进行数学仿真分析铬镍铁合金利用常规切削和超声振动切削加工之后的拉应力/压应力，加工过程中的切削力以及工件与刀具的相互作用。关键词：超声波加工；车削；有限元模拟；微观结构1绪论车削就是利用锋利的楔形切削刀具把工件表层材料从圆柱形工件上去除的加工过程。这项技术被用于各种金属材料的加工已有几百年的历史了。然而，在最近几十年里，各种合金和复合材料的广泛应用于各个工程领域。有许多新材料已经很难用已有的普通的（CT）车削工艺去加工了，常规加工方法在应用于航天领域的镍钛合金不锈钢的加工中，即使是相对较低的切削速度，也能引起较高的的切削温度，随之而来的就是更严重的刀具磨损。这些棘手的材料出现，使得先进加工方法更加的刻不容缓。图1高频超声波振动叠加在常规切削刀具上（图1），早在19世纪60年代就已经被关注和研究，事实证明，不但对于超硬合金材料的加工，而且对像陶瓷、玻璃这样的脆性材料的加工上，这种方法都是行之有效的。超声振动辅助车削（UAT）比起常规加工工艺来，切削力相当于以前的【1-4】倍，表面光洁度提高将近50%，并且噪音降低。至于加工脆性材料例如玻璃和陶瓷材料，当前技术需要长时间的昂贵的后期精加工才能保证光学材料所要求的表面质量。而UAT则可以在刀具低损耗和低切削力的同时，获得镜面加工面。不过到目前为止，UAT还没有被广泛应用于工业领域，其中很重要的原因是超声切削过程中的灵敏度很高，导致了切削效率的降低，当更换刀片或者切削载荷改变时.然而，这种不足最近已经随着自响应控制系统的发明改变了。这个系统使得超声切削过程稳定而且可以方便的控制。这个新型控制系统的详细说明在【9.10】.本论文的试验部分则比较研究了自响应控制系统的UAT与常规切削另外一个重要的UAT的问就是力学机械学问题，我们只有很少的研究资料关于工件与刀具相互作用区域以及他们对所加工材料结构的影响【3.6.11】。这些著作大部分研究超声波加工机装置的力学问题而不是加工材料对超声切削的响应问题。当有一个清晰地认识到这一过程，UAT加工肯定会得到进一步发展。本文的主要目的是研究与数值模拟的UAT过程中的材料力学。2实验研究研究UAT的实验装置如图1所示。工件被固定在万能车床上匀速旋转高频电脉冲输入到超声换能器，激发耐压陶瓷套的振动。振幅在集中器中加强并且传送到集中器末端的刀具夹具上。切割刀具的振动频率20KHZ，振幅可达30um.振动可加载在横向和纵向方向上的工件表面上（如图1b所示）这种自动调节控制的切割系统在【9.10】中有详细说明。我们做了一系列的试验来比较UAT与CT在加工航空材料上的区别。详细说明在【5】中。实验材料是广泛应用于航空领域的鉻镍铁合金和高耐热镍基合金。这些材料耐磨性高，常规切削时，切削温度高，导致刀具钝化。车削获得的表面质量是金属切削中的关键因素，加工过程中的任何变动都会影响到它实验标本的表面光洁度主要由表面平均粗糙度和圆度来衡量，使用Tay-Hobson-Talysurf4测量仪，以下是主要技术参数：切削深度d=0.8mm,进给速度S=0.05mm/rev，切削速度V=17m/min。UAT与CT参数设置相同。图2图2.a中展示了典型的INCONEL718加工过程的轴向剖面图。显然，UAT加工的工件表面粗糙度降低了将近50%，而且表面轮廓更加圆整，从轴向轮廓看外表面更加圆滑。而且还获得了另外一个工件圆度重大改进（图2.b）：CT的圆度峰谷差为4.2um，然而UAT能达到1.89um，因此，当超生振动波加载在刀具运动上的时候，表面圆度能提高将近40%。值得注意的是其他研究者也得到了类似的结论【7.12】在切线方向上加载振动显然，这些进步变化的原因就是切削过程的不同，由超声波振动引起的刀具与切屑的高频碰撞，这导致了材料变形过程的改变和摩擦力的改变，以及车床刀具工件组成的系统的动态变化【6，11】主要原因在于高频超声波超乎自然频率。除了表面质量之外，机械加工面的微结构也是一个试验指标。INCONEL718工件切削用量相同（V=3.6m/min,d=0.1mm,s=0.03mm/rev）的情况下，在切线方向加载超生振动和没有加载的情况相对比。然后,利用MicroMaterialsLtd生产的纳米测试平台来测验表层结构。根据测试结果，由切削过程中的高温变形引起的硬化层厚度，UAT是CT的一半(40和80)再者,UAT硬化层的平均硬度（大约15GPa）是CT的一半，非常接近未处理材料（7GPa）材料硬度也增加了，残余塑性变形也增加了。因此，纳米压痕试验显示，UAT加工残余应力低，我们可以从中得出结论，UAT加工工艺精度更高。3UAT数值分析有限元仿真是一个仿真加工过程的主要工具它被用于仿真切削过程已经有30多年了。现有仿真金属车削的概况在【13，14】中有详细介绍。然而,据作者所知,迄今为止还没有没有专门的UAT模型。本文所涉及的二维有限元仿真模型基于MSCMarc15代码。正交切削过程如下。在切割和进给方向上这个切削过程的刀具都是正常的图1b显示了工件和刀具的相对运动,圆柱形零件的转动轴跟平面是垂直的。工件恒速度转动,而这个工具与高频振动统一起来频率f=20Khz,振幅为15um，与试验中设置相同。另外一个参数是切削余量为t1=0.1mm(符合切削深度)，刀具前角为r=10度，切削速度V=9m/min.在每个振动周期内，都是这样的参数。材料常数从【16】中得出.利用运动学分析刀具左右两