航空材料超声辅助车削的仿真与实验研究#中英文翻译#外文翻译匹配

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-Talysurf 4 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 MicroMaterials Ltd 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。 3 UAT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 MSC Marc15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 侧和底部 Vx|AH=V, Vx|FG=V, Vx|HG=V, VY|HG=0. 温度边界条件分析主要是包括热从工件表面和刀具以及周围环境的对流 其中 K 表示传导率 ， H 表示热传导系数， T1 表示环境温度，在接触面内，切屑传给刀具的热通量可由下式表示： q=H(Tchip-Ttool).H 为热传导系数，Tchip 和 Ttool 分别为切屑和刀具表面温度。 该模型的建立考虑到了以下影响应力与应变的因素： （ 1） 刀具与切屑接触面的相互摩擦 （ 2） 非线性 的材料特性，包括材料 应变率对材料屈服应力的影响。 （ 3） 热 -机械耦合效应也就 是机械的以及热传导的内在联系。 图 3 UAT 的有限元模拟在一个周期振动主要可分为四个阶段。在第一阶段(图 3a)、刀具靠近切屑 ;第二阶段 ,刀具开始接触切屑和切除的工作达到最大特征 是 生成过程中应力达到最大标志着的第二阶段 (图 3b)的结束。接下来是卸载 :刀具速度的方向改变，并且向后移动，这个工具的速度超过了切削速度 (由于切屑回弹效应 )。在这一阶段里 ,在这个过程中弹性应变下降。最后一个阶段，刀具与切屑完全分离(图 3c) 刀具和切屑的间歇接触是 CT 和 UAT的最大区别。如图 3c 所示， CT 过程中应力状态几乎是不 变的。最高的应力集中剪切区域分布在如图 1 所示 BE线两侧。紧挨着前刀面 EK。与之相反的是， UAT 的应力状态变化周期非常短暂。最大值时与 CT 是一样的，在超声震动切削的其他阶段（图 3a 和 c），当刀具不与切屑接触的时候，材料的平均应力和相互作用力都比 CT 小很多。通常是几倍的减少。对这一现象的详细研究可在资料【 1， 3， 4】中找到。 4 切屑形成过程的研究 切屑的形成过程是金属切削加工过程中最重要的 ， 因此研究切屑在加载超声震动周期内的形成很有意义。在 UAT 与 CT 加工 Inconel718 的比较实验中：柯达 Ektapro HS 运动分析仪4540 用于实时观测刀具与切屑的相互作用。 UAT 的变形主要集中在沿着刀尖附近在工件表面上，刀具下边也是同样情形。这个观察结果与奈米压痕实验得出的结论相同。最后表明，加载超声波的切削使得切屑形成更加有规律，因而带状切屑的形成增多。相比之下 ， CT 产生的多为节状切屑，主要由于不规则震动引起。扫描电子显微镜研究 UAT 与 CT 产生的切屑的微结构验证了这一结论， UAT 有微小锯齿状，而 CT 多为节状。为了试验观察我们建立了一个切屑数字化模型， FE仿真结果显示了切割区域塑性应变的分配。在切割刃附近和样本的表面，塑 性应变达到最大值。 图 4 5 刀具和切屑的温度 在切削过程中 ,塑料变形和刀具和工件之间的摩擦可以导致工件和刀具的高温，改变了材料特性。真正的增加 ,其转 ,改变材料的性能 ,例如屈服应力，导热性以及比热，影响了工件的变形过程。这是 UAT 与 CT 的显著不同点。我们使用红外线拍摄来测量工件与切削刃的温度分布。 Agema 880 热视系统用于这项测试。红外线单帧图片显示了 UAT 与 CT 的切削过程，超声震动切割过程中的温度分布成像只能用 105 帧 每秒 的速度来实现。 我们发现 CT 与 UAT 温度分布有很大不同。在所有的不 同实验条件下，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%。这个结论是用精密仪器测试得出的，这个结果很有趣，因为【 11】中得出了完全相反的结论。高出部分主要是由超声震动引起的，不同的切屑和材料屈服应力的增加主要由于 UAT 高应变率导致的高温 UAT 加工过程中的温度分布特性主要由红外热成像法得到， 图 5a 中有详细介绍。 由于不同比率，几乎不可能得到一个直接的定量 . 图 5 6 结论 用实验测量及数值研究的方法来比较常规车削和超声辅助车削证明了新技术在加工难加工材料上的优势是不可替代的。表面 粗糙度和圆度比都有了将近 50%的提高。对工件