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增强型超声波辅助车削beta;钛合金
阿戈斯蒂 诺莫罗托,里亚兹 穆罕默德,阿尼什 罗伊,瓦迪姆V.西尔伯施密特
沃尔夫森机械与制造工程学院，拉夫堡大学，拉夫堡，莱斯特郡LE11 3TU，英国
摘要
虽然钛合金具有优异的机械性能，如高热硬度，还有不错的强度重量比和高耐腐蚀性; 但是它们的导热系数低，化学性高对工具材料的亲和力严重损害其可加工性。超声辅助加工（UAM）是一种先进的加工技术，已被证明可以提高beta;钛的可加工性合金，即Ti-15-3-3-3，与传统车削工艺相比。
- 介绍
自广泛采用以来，钛合金的加工已被确定为最重要的制造工艺之一。这些合金在航空航天，汽车，化学和生物医学领域行业[1]。钛合金具有优异的机械特性，如高热硬度，良好的强度重量比和高耐腐蚀性。这也是众所周知的beta;钛由于其固有性能的增强，合金提供更高的拉伸强度硬度，增加疲劳强度，与近alpha;-或alpha; beta;-钛合金相比较。然而，导热性差和这些合金采用传统工具材料严重损害其机械加工性能，[2]。据报道，beta;钛合金属于其中之一最难加工钛合金[3]。
钛合金的加工过程通常以低切削进给速度和速度为特征，典型情况下老化合金在12-38米/分钟的范围内[4]。这增加了加工成本，特别是对于许多飞机部件需要去除90％的材料才能达到最终形状。毋庸置疑，机加工钛零件的成本可能不足通过提高材料去除率（MRR）而大大降低。另外，刀具侧面和前刀面的高摩擦力会导致刀具切屑界面局部高温区域，加速刀具磨损并最终导致刀具过早失效[5]。通常建议在加工钛合金时避免使用切削液进行冷却和润滑快速工具磨损[6]。他们的主要目标是消散产生的工件和机床产生的热量可以避免迅速局部热膨胀在刀尖处。而且，润滑剂减少在工具工件接口处的摩擦改进了加工效率。
近年来，主要由于环境原因，涉及使用切削液的加工成本大幅增加，切削液的处理及其处理必须遵守严格的环保规定。一些研究人员表示，对于制造公司来说，与切削液有关的成本占总加工成本的很大一部分，他们声称与切削液相关的成本高于切削工具的成本[7]。 Byrne和Scholar [8]表明，切削液技术占制造成本的很大一部分，由于切削液残余物，在制造后清洗部件所带来的额外成本。因此，如果可能的话，消除切削液可能是一个重要的经济激励措施。
因此，干式加工引起了人们极大的兴趣，因为它满足了当前对环保型制造的需求。适当的替代传统加工与洪水切割液供应[9]。Mativenga和Rajemi [10]指出干燥机加工相比，在减少机加工产品的能耗方面表现优异，因为高达总加工能力的9％通常单独用于泵送冷却剂。在加工难切削材料时，消除润滑剂和冷却剂会带来一些额外的挑战。众所周知的负面影响，除了快速的刀具磨损外，还会产生高切削力，不良的表面光洁度，并最终导致成品零件的尺寸精度较差[11]。 因此，为了获得所需的部件质量，需要将几个精加工步骤结合到制造过程中，从而增加整体加工成本。
DMG-Mori Seiki（2006年推出的第一个版本）最近在商业上引入了振动辅助加工，尽管它已有数十年的历史。振动辅助加工过程的工作原理是基于在加工过程中对刀具进行特定强度和特定方向的高频振动。材料在受到超声场作用时的特性是众所周知的，多年来在各种实验中都有所体现。在这些特征中，工件材料和接触条件的弹塑性行为发生了巨大的变化，其中两个表面之间的相互作用区域中的干摩擦在存在超声振动的情况下转变为准粘滞摩擦[12]。声学软化效应，其中塑性变形所需的表观静态剪切应力是在激烈的超声激发下明显减少，在包括钛在内的几种金属中被观察到Zn晶体[13]。据信声能被位错和晶界吸收，增强了塑性变形[14]，因为在无缺陷区域观察到的衰减很小。
Babitsky及其同事[12,15,16]报道了超声波辅助加工难加工合金如钻孔[15]和车削[16]等一些有据可查的优势。就车削操作而言，超声辅助车削（UAT）已被用于证明加工难处理材料的一系列好处。其主要优点之一是在存在振动的情况下减少平均切削力.Babitsky等人[16]和沙曼等人。[17]证明，当振动在切削方向上，力减少超过50％时，效果显着。与干式常规车削（CT）相比，如[12,18]所示，观察到工件的表面光洁度会随着机器噪音或操作过程中的颤动而降低。对超声波振动下切削的基本力学进行了一些研究，这有助于阐明加工过程在高应变，高应变率状态下的材料行为特征[19-22]。穆罕默德等人[19]在先前的建模工作[20]中建立了UAT的热 - 机械耦合有限元模型，该模型阐明了UAT加工区微冲击对难加工合金加工的影响。
一般而言，UAT工艺的实现及其讨论的益处对切削参数（切削深度，切削速度，进给速率等）以及所用工件材料和切削工具都很敏感。本文采用增强型UAT 该系统已被用于加工beta;-Ti合金，证明以前没有报道过的改进。
本文组织如下：在第2节中，介绍了包括所使用的各种表征仪器在内的实验装置以及所用工件材料和切削工具的细节。第3部分包括测量结果，然后是第4部分的讨论。本文以第5部分的一些结论性意见结束。
- 实验工作
2.1实验装置
通用车床进行了充分的修改，以适应超声切割头，在单次车削操作过程中可灵活切换常规和超声切割方式。切割头由安装在波导管上的标准Langevin型压电超声波传感器和铝质聚光器组成，可放大超声波振动。
用于将切割工具连接到振动集中器上的确切固定非常关键，因为任何额外的质量添加到高度灵敏的振动系统中将不可避免地改变其共振频率（并影响其振幅）。选择轻质和机械强度高的钛作为刀架的合适材料。将定制的刀架拧入集中器的螺纹孔中;用标准的高强度螺钉将切削工具固定在刀架上。
A. Maurotto et al./Ultrasonics 53 (2013) 1242–1250
图1.超声波切割组件示意图（另请参见图2）。
图1显示了切割头的示意图，展示了组成超声波切割组件的各个部件。该组件通过专门设计的工具柱附件固定在车床的十字滑块上（图2）。采取了预防措施以确保整个系统在所有固定点处的刚性。为了测量切削力，将超声头组件连接到三元件Kistler TM测力计（型号9257A）。测力计能够测量高达5 kN的最大频率3 kHz的力，这被认为足以测量研究过程的平均切削力。选择测力计的方向，以便在加工时分别测量与切向，径向和进给方向相对应的x，y和z方向的切削力（图2）。
图2.（a）超声波切割组件和（b）切割工具的放大照片（标有（a）中的白色方框）显示轴对齐。
使用Polytec激光测振仪（型号OFV-3001）监测UAT期间切割工具中引起的振动。在整个切割过程中使用了这种非接触式测量技术，以确保切割系统在与工件接触后有足够的共振条件。据观察，该系统的谐振频率响应足够宽，以致对切割操作中固有的小变化不敏感，即使在最高的切割深度下也是如此。
在加工过程中设定一致的切削深度对于确保传统和超声波辅助工艺的可比性至关重要。这是通过使用微米刻度表来确保的，该刻度盘跟踪精度为plusmn;10 lm的精度为plusmn;10 lm的切割头以及车床千分尺（图2）。这种技术基于两种独立的设置和测量方法 切削深度消除了车床千分尺容易受到的误差，特别是在由于固有的系统合规性而导致的亚毫米尺度范围内。通过分辨率为0.1rpm的激光转速计监测工件的转速。
这些最近的改进通过降低固定点符合性和增加刀架固定刚度来提高UAT设置的整体刚度，从而提高了系统的性能，从而导致UAM中显着的力减少（见第3节）。
2.2机床
对于我们的车削实验，硬质合金刀具的刀尖半径为0.8 mm，低切削深度/精加工的断屑槽优化为低进给率（图3）。推荐的切削深度范围为0.2毫米至3毫米，进给速率为0.05-0.25毫米/转，切削速度为45米/分钟（由制造商指定）用于超级合金加工。 刀具材料具有适合间歇切削的坚韧的微晶粒结构。 该工具涂层由在氮化钛底漆层上的钛铝氮化物陶瓷层构成。向涂层材料添加铝导致形成氧化物层，这反过来又增加了工具在高工作状态下的能力温度。表1列出了所用切削工具的性能。刀具正交于工件轴线安装，使有效的前角约为14°？ 和间隙角0°。
图3.切削刀具的几何形状。
表1
2.3工件材料
在工作中使用的工件材料属于一组亚稳态beta;-Ti合金，显示出显着的沉淀硬化特性。该合金被命名为Ti-15-3-3-3; 通过在790℃下退火30分钟进行溶液处理并使其老化，然后空冷，产生beta;相状态。工件材料的机械性能列于表2。
表2
2.4表面形貌和表面分析
为了研究机加工工件的表面形貌，在非接触式三维干涉测量仪ZYGO 3D-NV5000-5010上进行测量。在加工表面上评估九个采样区域; 每个采样区域具有0.53mmtimes;0.7mm的尺寸。使用Taylor Hobson-Talymap Platinum 3D表面分析软件处理获得的数据。 报道几种表面形貌参数以比较和对比用CT和UAT获得的表面质量。 使用GXCAM-5获取系统在尼康Optiphot上进行地下层的光学显微镜检查。 物镜在机器上可用，从times;5到times;40不等。
2.5实验方法
每次实验运行持续约60秒。在开始的10秒内，将切割深度设定为期望的大小，然后进行20-25秒的CT（图4）。接下来，在关闭超声切割头（继续加工）约20-25秒之前，关闭超声切割头以恢复CT切割条件。在两次切割过程之间存在一段时间的瞬变切割条件，持续约2秒;随后从数据分析中消除。在实验运行之间，切割工具被分离并允许冷却到室温。这样做是为了确保实验条件对于后续实验运行的可重复性。理想情况下，每个实验运行应使用新工具，以避免工具磨损对加工过程的影响。对于更高的切割深度，情况就是如此;然而，对于较小的切削深度，观察到刀具磨损最小，并且因此在三次实验运行后更换切削工具，而对观察到的实验特征没有任何有害后果。将在不久的将来提供详细的刀具磨损分析。每个实验运行重复6次以获得我们实验数据的合理统计。整个切割过程中都使用激光测振仪。在UAT期间，我们观察到沿径向和轴向的虚假振动，振幅分别约为1 lm和0.3 lm。这并不奇怪，因为在换能器设计和制造中实现纯粹的一维振动系统是艰难的。观察到主切削方向（切线方向）的振动幅度为所有切削深度的10lm。表3列出了我们测试中使用的切割参数。
图4.测力计在单次运行中产生的力分量信号的演变。 使用的加工参数：V = 10m / min，p = 300lm，f = 0.1mm / rev。 在UAT中：f = 17.9kHz，a = 10lm。
已经证明，在切削刀具上叠加超声波振动可以改善韧性材料和脆性材料的表面光洁度，同时减少切削力和机器颤振[23]。最近Maurotto等人的研究证实了这一点。在钛基[24]和镍基合金[25]中。应该指出的是，在UAT中的切削刀具上施加切向振动（图2）将工具 - 工件相互作用的性质改变为间歇动态接触。从工具零件相互作用条件的一维分析中，可以推导出工具的临界摆动速度（V c）和工件运动速度（V）之间的关系有效。临界刀具速度和切削速度与加工参数有关[26] V c = 2 p af; V = p nD;其中n是车床的转速，D是加工的工件直径， a和f分别是施加振动的幅度和频率。对于使用的加工参数，V c = 67 m / min。预计V cgt; V将确保工具在单个振动周期内与工件分离，从而使UAT有效。
- 成果
在本节中，我们将介绍用CT和UAT获得的实验结果。我们首先报告实验获得的平均切削力，然后是机加工工件的表面拓扑结构和子表面分析。
3.1切削力
测量施加在刀具上的切削力，用不同的切削深度（a p）进行CT和UAT。 从50升到500升的切割深度设置为50升和100升的不同增量。 0.1毫米/转的进给速度相对较低，设定模仿高精度加工，通常处理低材料去除率（MRR）和低进给率。
使用测力计通过附带的picoscope获取的原始数据在Matlab中进行处理，无需任何过滤，以获得平均切削力。在分析中，消除了初始参与的数据（见图4）。所使用的测力计具有3kHz的固有频率; 然而，当施加额外的质量/载荷时，观察到这种变化显着。通过锤击试验测得的切削夹具的固有频率为105Hz，远低于切削工具的施加频率。 最高的采样率picoscope为20 MHz，在我们的实验中使用了1 MHz的采集频率，这被认为足以满足我们的要求。
对于所有进行的实验，测量的轴向力分量小于主切向切削力，因此在我们的分析中未考虑。图4显示了我们实验过程中的典型力测量值。观察到CT和UAT在进给方向上的力分量幅度较低。这种贡献可以主要由低施加的进给速率和在低切削深度下操作的大的半径鼻部来解释。
图5显示了CT和UAT在不同层面上的测量切削力分量。该图表示从多道加工运行中获得的平均值，误差线表示测量的力的标准偏差。在整个研究范围内观察到UAT的主要和径向切割方向（表4）。
切削速度对加工推力的影响也进行了研究。图6显示了对于每个切削速度值，在五次实验运行中对CT和UAT的测量力平均值。正如预期的那样，CT中的切削力对研磨范围内的切削速度表现出低
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