陶瓷旋转超声加工中切边的研究：设计实验与有限元分析的结合外文翻译资料

陶瓷旋转超声加工中切边的研究：设计实验与有限元分析的结合

旋转超声加工（RUM）是一种成本较低、环境友好的先进陶瓷加工工艺。从理论上和实验上研究了RUM的材料去除率、表面粗糙度和刀具磨损。然而，目前还没有系统地研究陶瓷钻削过程中的切边问题。本文介绍了一种先进陶瓷钻削过程中刃口切削的研究结果。采用设计试验与FEM（有限元分析）相结合的综合方法进行研究。设计的实验将揭示加工变量（主轴转速、超声波功率、进给速度和粒度）对切削力和切削厚度的主要影响以及相互作用。有限元模拟将提供在工件上钻孔时的应力和应变分布。此外，还将有限元模拟得到的削片厚度与切削力之间的关系与设计实验得到的结果进行了比较。【DOI:10.1115/1.2034511】

1简介

高级陶瓷由于其优越的性能，已经在工程上得到了广泛的应用（例如高温下的高硬度和强度；化学惰性；高耐磨性；低导热性）。然而，这些特性也使先进陶瓷难以加工成精确的尺寸和形状。高成本的加工已经成为它们广泛应用的主要障碍。因此，开发可靠且经济的先进陶瓷加工工艺是十分必要的。

在为加工高级陶瓷而提出的非传统加工工艺中，旋转超声加工（RUM）又称超声辅助磨削，成本相对较低，对环境无害。它是一种金刚石磨削和超声加工材料去除机理相结合的混合工艺（USM）。RUM过程如图1所示。一种带有金属结合剂金刚石磨料的旋转芯钻，其超声振动沿其轴向并向工件进给。通过钻芯泵入的冷却液会冲走钻屑，防止钻头卡住，并保持冷却。RUM可以达到比金刚石磨削或超声波加工更高的材料去除率[1,2]。使用RUM更容易钻深孔，提高了孔精度[3-5]。此外，RUM具有表面光洁度高、刀具压力低等优点[3,6,7]。

自1964年RUM问世以来[8,9]，许多研究者报道了他们对这一过程的研究，从实验研究到理论分析，涵盖了过程变量和材料去除机理的影响。结果表明，在陶瓷材料的旋转超声加工中存在两种材料去除模式：脆性断裂模式和韧性断裂模式[10]。提出了两种考虑脆性断裂的材料去除模型[11,12]。还提出了一种延性模态的建模方法[13]。通过单颗粒划痕试验，研究了RUM中材料去除和刀具磨损的机理[14]。过程变量的影响（转速、超声振幅和频率、金刚石类型、尺寸和浓度、粘结类型等。）在表演上（材料去除率、刀具磨损、表面粗糙度等。）是否进行过实验研究[1;5-9,15-17]。RUM延伸到面铣[18,19]，圆盘研磨[20]以及复杂的轮廓加工[21-23]已经有报道了。在一篇关于超声波加工的综述论文中，Thoe等人[24]讨论了超声加工的材料去除机理、工艺参数对材料去除率、刀具磨损和工件精度的影响，并与RUM进行了比较。刺激和同事[25,26]综述了超声辅助磨削的原理、各种陶瓷材料的可加工性以及工艺参数对工艺输出的影响。

然而，大量的文献研究表明，对于RUM中的一个有趣而重要的现象：钻削脆性和硬质材料（如高级陶瓷）时的边缘削屑，目前还鲜有报道。Ishikawa等人[27]报道了他们对这一现象的观察结果，但他们的论文重点是提出振动钻削方法，而不是研究切边。Hocheng等人[28]提到静载荷影响边缘质量（也就是说，分层和分裂）在陶瓷复合材料的超声钻孔中。他们研究的材料是复合材料（不是高级陶瓷）因此，他们的研究是关于分层而不是边缘剥落。

本文采用设计试验与有限元分析相结合的方法，对高级陶瓷旋转超声加工削边削进行了研究（有限元法）分析。设计的实验将揭示过程变量的主要效应和相互作用效应（主轴转速、超声波功率、进给速度和粒度）切削力和切削厚度。有限元模拟将提供在工件上旋转超声加工钻孔时的应力和应变分布。此外，还将有限元模拟得到的削片厚度与切削力之间的关系与设计的实验结果进行了比较。

本文分为五个部分。在这个介绍部分之后，第2和3部分分别介绍了设计实验和有限元模拟。第4部分比较了有限元模拟和设计试验得出的切削厚度与切削力之间的关系。最后，在第5部分总结了本文的结论。

2设计实验

2.1实验条件图2示意性地说明了实验装置。超声波电源将60hz的电源转换成高频（20千赫）电能。这种高频电能被供给压电转换器（位于超声波主轴内部）转化为超声波频率的机械振动（20千赫）。然后振动被放大并传输到连接到主轴的刀具上。通过改变电源的设置，可以调整超声振动的振幅。连接在超声波主轴上的电机提供刀具的旋转运动，通过调整电机速度控制器可以获得不同的速度。

刀具为外径9.53mm、内径8.13mm的金属结合剂金刚石钻头。工件材料是92%氧化铝（Al₂O₃）样本量是25.4*25.4*6.35立方毫米。工件材料的机械性能见表1。冷却液为水基冷却液，水溶性切削油稀释20:1。

工件被夹在一个直径为13.4毫米的孔的夹具上。测功机安装在夹具和工作台之间。工件、夹具和测功机之间的相对位置如图2所示。

2.2切削力和切边的测量。用Kistler测功机测量切削力。由双模电荷放大器将测功机的电荷信号转换成电压信号。数据采集系统由用LabViewtrade;编写的程序控制. 已进行初步测试，以确定LabViewtrade;的适当设置程序。采样率是每秒100次。

在RUM实验过程中采集的切削力数据随时间变化，在一定范围内具有一定的离散性。为了说明，图3示出了切削力与切削时间的曲线。选择刀具轴向切削力的最大值来表示切削力。

如图4所示，在机加工杆上测量的削片厚度用于量化边缘削片。这种选择基于以下原因：（1）钻孔上的切边与机加工杆上的切边完全匹配；（2）切边角度（或削片厚度与削片直径之比）大约是恒定的；并且（3）测量加工棒上形成的刃口削片厚度更为方便。

2.3实验设计。2^4（两个水平，四个变量，16个测试条件）采用全因子设计。根据以往的经验，并在实验装置的能力范围内，选择以下四个过程变量进行研究：（1）主轴转速：刀具转速；（2）超声波电源：由超声波电源供电，控制超声波振动幅度；（3）进给速度：刀具进给速度；和（4）磨料粒度：刀具的磨料粒度。

表2列出了这些变量以及相应的高低电平值。考虑到不可避免的变化与加工实验涉及陶瓷，两个孔钻每一个条件，使总数的测试为32。软件包Design- Expert用于生成随机测试顺序，并协助处理实验数据。测试矩阵如表3所示。

2.4工艺参数对切削力的影响。实验数据见表3。ANOVA（方差分析）切削力和切削厚度表由统计软件SASreg;生成。基于所有变量及其相互作用的P值，统计显著性因素（变量还是它们的相互作用）已识别。更多关于方差分析、P值和显著性水平的信息（alpha;）在许多统计教科书中都能找到，比如DeVor等人的那本[29]。在本文的其余部分中，将仅讨论被确定为具有统计显著性的因素。

从图5可以看出主轴转速和进给速度对切削力和切削厚度都有显著影响。切削力和切削厚度都随着主轴转速的增加或进给速度的减小而减小。

主轴转速与超声功率之间的二因素交互作用有显著影响（在显著性水平上alpha;=0.20）切削力，而不是切削厚度。此外，主轴转速与进给速度、进给速度与磨粒尺寸之间的双因素交互作用也有显著影响（在显著性水平上alpha;=0.14）切削厚度，而不是切削力。如图6所示（a）在超声功率较低时，主轴转速的变化引起的切削力变化比超声功率较高时大。如图6所示（b）在进给速度较高时，主轴转速的变化比进给速度较低时引起的切屑厚度变化更大。如图6所示（c），在较低的粒度级别上（网格140/170），进料速度的变化导致碎屑厚度的变化大于高粒度时的变化（网格270/325）。

超声波功率、进给速度和粒度对切削力的三因素交互作用显著（在显著性水平上alpha;=0.18）。最佳组合，哪一个产生的切削力最小（445N），如图7（a）所示，进料速度越小，超声波功率越大，粒度越小吗。主轴转速、进给速度和粒度对切削厚度的三因素交互作用显著（在显著性水平上alpha;=0.04）。最佳组合，哪一个产生最小的碎屑厚度（0.69毫米），是否如图7（b）所示，主轴转速越大，进给速度越大，砂粒尺寸越小。

3有限元模拟

3.1有限元模型。在建立有限元模型时，需要解决的关键问题包括：是否将RUM过程视为一个动态或静态问题，如何模拟工件与刀具端面之间的接触，使用何种元件，以及使用何种失效准则。

事实上，旋转超声加工是一个动态的过程。然而，作为RUM钻削边研究的第一次尝试，该过程被建模为一个静态问题。在未来的有限元建模中将包含动态特性。

采用商用有限元软件ANSYS。由于工件和夹具几何结构的对称性和加载条件，采用二维轴对称实体模型代替三维实体模型。在轴对称平面上，半个工件被建模。工件的轮廓是一个矩形，有一个小而细的矩形凹槽。

二维轴对称有限元模型如图8所示。该模型由12000多个平面轴对称单元和14000个节点组成。在钻孔过程中，与工具接触的矩形凹槽的角被建模为半径为0.05 mm的圆角，并且该区域中的网格被逐步细化。其他尺寸如下：

bull;工件：半径为12.7 mm、厚度为6.35 mm的圆柱体。它是一个轴对称平面内25.4*6.35 mm^2度的矩形。

bull;夹具：中心孔半径为12.7 mm的空心圆柱体支撑平台。

bull;刀具：外径为9.53 mm，内径为8.13 mm的空心圆柱体。

自由度约束用于模拟工件与刀具端面的接触，而不是使用ANSYS中的接触单元。这种简化大大降低了计算量，但仍能得到有用的仿真结果。采用自由度约束函数，使所有节点保持在被加工工件表面上（i、 e.矩形凹槽的底部）变形过程中的直线上。工件底面与夹具接触的部分受到限制，不能沿垂直方向移动。孔中心线为轴对称线，约束为轴对称。

切削力是由作用在被加工工件表面的均匀压力来模拟的（矩形凹槽的底部）。均匀压力的大小计算如下：

其中p是作用在被加工工件表面上的压力（MPa）；F是总切削力（N）；做工具的外径（mm）；Diis是工具的内径（mm）。

如表1所示，工件材料的杨氏模量为190GPa，Poisonrsquo;s比为0.2。

采用参数化建模方法，允许系统地改变几何结构和加载条件。首先，在ANSYS中交互建立模型并将命令序列导出到文本命令日志文件中，生成一个ANSYS文本命令文件。在此文件中，参数用于表示总切削力F；未切割厚度（它是工件底面与被加工工件表面之间的距离，如图8所示），T；以及工具的外径和内径与。接下来，通过修改文本命令文件中的相关参数并执行该文件，可以方便地构建新的模型。

3.2在RUM过程中模拟工件的应力和应变分布。既然是工件材料（陶瓷）脆性大，刚性好，发生切边时，加工区附近工件的变形很小。图9显示了放大比例为1:400的变形工件。最大应变出现在矩形凹槽的底部，如图10所示。

矩形槽圆角附近存在较强的应力集中。图11显示了主应力的分布（i.e., 最大拉应力）在工件上。很明显，最大主应力出现在圆角周围的区域。这也可以在图12中看到，它说明了主应力的分布（在向量中）在鱼片周围。矢量箭头表示应力方向，矢量长度表示应力大小。请注意，切边通过该区域。

3.3切边破坏准则。因为抗压强度（1751MPa）工件的材料是不是比它的抗拉强度高很多（129MPa）其中，陶瓷工件在加工过程中的拉伸应力是首要关注的问题。在图13中，可以看到第一主应力（i.e., 最大的拉伸部件）在圆角周围的小范围内大于129mpa，工件材料的拉伸强度。这个区域的大小，由“环厚度”测量，将被用来预测失效（削边），如下所述。如图13所示，“环厚度”，其中是应力环的半径，该半径大致描绘了第一主应力达到129MPa的边界和是圆角的半径。

最大法向应力准则被广泛认为是陶瓷等脆性材料的一种可接受且方便的破坏准则。本文采用点应力法结合最大法向应力准则作为破坏准则。特征距离处的最大法向应力（）失效准则中使用的是圆角根部的最大法向应力，而不是圆角根部的最大法向应力。这与复合材料失效中广泛使用的Whitney-Nuismer点应力准则类似[30]金属的断裂呢[31]。这种简单的方法避免了由于尖角或裂纹尖端的应力奇异性、圆角几何的不精确性以及边界条件的近似所引起的复杂问题。因为它使用的应力与圆角根部的特征距离（而不是在鱼片根部）在失效准则中，点应力法强调了区域大小由特征距离决定的“平均效应”。使用点应力法意味着超过圆角根部破坏强度的应力是允许的。

特征距离与材料有关；通常通过将失效预测与实验数据拟合来确定（例如，看[30,31]）。在目前的工作中， 值（以如图13所示的环厚度的形式出现）将有限元模拟结果与实验结果进行了最佳拟合。对于给定的，有限元模型中的切削力和切削厚度是变化的，因此最大第一主应力（正常压力）沿距圆角根部距离的环等于工件材料的拉伸强度（129MPa用于本研究）。将这一点应力破坏准则应用于一系列有限元模拟中，可以得到切削力与切削厚度相关的破坏趋势线。故障趋势线取决于的值。模拟结果表明，用一个值很难预测分布广泛的实验数据，因此三个值是什么（0.007、0.019和0.032毫米）分别给出下限、平均值和上限预测。下一节将讨论基于点应力破坏准则的有限元模拟结果与设计试验结果的比较。

4切削厚度与切削力的关系

图14绘制了设计试验和有限元模拟的切削力与切削厚度之间的关系。设计实验的数据（图中没有阴影的钻石标记）表现出相对广泛的分散性。这种分散可以归因于几个原因，例如测量的切削力的变化，工件材料特性的变化，以及人工测量削片的变化厚度。有限元模拟结果在图中用阴影标记绘制。有限元模拟结果表明，切削厚度与切削力成正比，如直线所示（还是趋势线）在图14中。

根据第3部分的分析，当环在距圆角根部特征距离处的第一主应力最大值达到129MPa时（工件材料的拉伸强度

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