超声辅助铣削选区激光融化制造Ti6Al4V合金的表面完整性 | CJME论文推荐

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引用论文

Guo, S., Du, W., Jiang, Q. et al. Surface Integrity of Ultrasonically-Assisted Milled Ti6Al4V Alloy Manufactured by Selective Laser Melting. Chin. J. Mech. Eng. 34, 67 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00586-z

研究背景及目的

传统减材加工往往面临着诸多问题，例如过大的切削力，不够理想的加工质量，粗糙的加工表面，以及严重的刀具磨损等问题。尤其是在Ti6Al4V合金等难加工材料的传统加工过程中，这些问题更加突出，这极大地阻碍了难加工材料的大规模工业应用。为了克服传统减材加工中存在的这些问题，亟需寻找一种能够实现高精度、高质量、低成本的替代加工方式。因此，超声辅助加工作为一种非常规加工方式应运而生。

一般情况下，超声辅助加工是通过在工件或者刀具上施加一个额外的一维或者二维超声高频振动来实现的，其振幅通常大于2微米，频率高于16 kHz。其中，一维超声高频振动是沿着刀具进给或者切向方向施加的；二维超声高频振动则通过同时沿着刀具进给和切向方向施加从而实现圆形或者椭圆形切削轨迹。这意味着，在超声辅助加工中，在工件和刀具的接触界面沿着某个特定方向实现快速的间歇式相对运动，有助于材料去除以及提高材料加工质量。因此，超声辅助加工能够克服上述传统减材加工面临的诸多问题，实现更低的切削力，更高的加工稳定性，更小的刀具磨损以及更高的表面加工质量，目前已被广泛应用于工业生产中。

针对超声辅助加工的研究主要是将超声振动施加在刀具切向或者进给方向，少有将超声振动施加在刀具轴向（也就是垂直加工面方向）上的。所以，研究超声辅助立铣对工件表面加工完整性的影响十分有必要。因此，本研究利用超声辅助立铣，以选区激光熔化（SLM）制造的Ti6Al4V合金为研究对象，对不同进给速率造成的工件表面加工完整性的影响进行全面的调查，研究工件表面和亚表面的形成机理，并与传统不加超声的铣削加工作对比。本研究的具体研究内容包括，铣削力的测量与分析，铣削表面结构和粗糙度表征，铣削表面硬度以及亚表面结构的变化规律。最后，本研究揭示了进给速率对选区激光熔化（SLM）制造的Ti6Al4V的表面完整性的影响规律，进一步深化对超声辅助立铣加工机理的理解。

试验方法 

本研究采用一台自制的带超声辅助加工功能的3轴CNC加工中心SLM制造的Ti6Al4V工件进行传统铣削以及超声辅助立铣加工，工件尺寸为38 × 3× 12 mm，超声频率固定为26.2 kHz，且超声振动信号只施加在铣刀的轴向方向。在加工过程中，为了保证铣削环境的一致性，通过控制超声发生器的开关来分别实现超声辅助立铣和传统铣削加工。整个加工过程都使用油基冷却液进行泛流冷却。本研究设置4个水平的进给速率，分别为36，48，60和72 mm/min，本研究具体内容包括铣削力的表征和深入分析，铣削表面结构和粗糙度分析，铣削表面硬度以及亚表面结构的变化规律，并以不加超声辅助的传统铣削作为对照。

加工完成之后，本研究采用激光共聚焦显微镜观察工件表面形貌。为了更清晰地观察材料的微结构，对抛光之后的工件材料进行腐蚀，随后用电子显微镜和激光共聚焦显微镜进行观察。工件材料的相组成由XRD获得，表面硬度变化由硬度测试机测量得到。为了实现高可靠性的测量结果，采用三次测量的平均数作为最终的测量结果。

结果

铣削分析发现，无论是超声辅助立铣还是传统铣削，X，Y，Z轴三个方向上的铣削力都随进给速率提高而逐渐增大，但是超声辅助立铣的铣削力比传统铣削的铣削力小，这是因为超声辅助立铣的断续式加工方式导致其平均铣削力下降。表面形貌分析发现，与传统铣削不同的是，在超声辅助立铣的工件表面上存在由铣刀轴向的超声振动导致的细密的正弦振动纹路。另外，过高的进给速率会导致刀具的颤振，而超声辅助立铣有助于抑制刀具颤振。对工件亚表面结构的研究发现，随着进给速率增大，超声辅助立铣中单位面积立铣刀和工件表面的接触时间降低，削弱了高频振动对工件单位面积的影响，从而导致超声辅助立铣工件亚表面塑性变形层的厚度逐渐降低。对工件加工硬度的分析发现，超声辅助立铣的工件表面硬度还是高于传统铣削工件的表面硬度，增大的表面硬度主要来自于剧烈的塑性变形导致的应变强化效应。

结论

（1）在传统铣削和超声辅助立铣中，铣削力均随着进给速率提高而增大，但是超声辅助立铣的断续式加工方式导致其平均铣削力低于传统铣削。

（2）超声辅助立铣获得的更加粗糙的加工表面是由于额外的竖直方向上的高频超声振动造成的，而且额外的高频振动有助于抑制刀具颤振。

（3）传统铣削和超声辅助立铣工件亚表面塑性变形层厚度随进给速率发生完全相反的变化，而超声辅助立铣工件亚表面塑性变形层厚度随进给速率增大而降低的原因是单位面积内工件与刀具之间的接触时间减少，从而减弱了刀具对工件的冲击效果。

（4）在传统铣削和超声辅助立铣中，随着进给速率提高，其加工表面硬度变化趋势与工件亚表面塑性变形厚度的变化是正相关的。

前景与应用

超声辅助立铣降低了铣削力，提高了工件表面加工质量，有利于减少刀具磨损，提高加工效率，降低加工成本，在难加工材料的高效率高质量加工中具有广阔应用前景。

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团队带头人介绍

张璧，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授。1982年获江苏大学学士学位，同时考取浙江大学机械制造专业出国研究生。受教育部派遣赴日留学，于1988年获东京工业大学机械工程博士学位后，分别在上海交通大学和美国俄克拉荷马州立大学做博士后研究。1992年起受聘为美国康涅狄格大学助理教授、副教授与教授。2009-2013年担任康涅狄格大学机械工程系本科教学主任，2011-2013年担任康涅狄格大学管理与工程制造学科主任。2014-2017年为大连理工大学机械工程学院教授，“辽宁重大装备制造协同创新中心”精密与特种加工团队负责人。从事精密制造研究30多年，研究方向为精密加工与增减材复合制造，发表学术论文200余篇。是1994年康涅狄格大学唯一推荐的美国总统奖候选人。为国际生产工程院（The International Academy forProduction Engineering–CIRP）和美国机械工程师学会（The American Society of Mechanical Engineers–ASME）会士（Fellow）。

团队研究方向

团队研究领域：

(1)    超高速精密加工工艺与装备

(2)    增减等材复合制造工艺与装备

(3)    难加工材料的超高速加工基础理论与实验研究

(4)    金属/陶瓷基复合材料增材制造与超高速加工基础研究

团队研究内容：

前沿制造科学实验室（FMSL）聚焦精密加工与增减等材复合制造研究，研究内容涉及理论分析、多尺度建模、加工工艺、过程监控和材料表征等，解决复杂形状零件增材制造以及难加工材料的加工问题，揭示增减等材制造成型机理以及高速加工中应变率诱发的材料脆化和损伤趋肤机制，开发增减等材和超高速加工机床装备。本实验室将理论分析、实验验证与先进分析测试技术相结合，使用超高速加工、高应变率霍普金森拉伸和压缩、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等技术以及有限元方法和分子动力学等多尺度模拟仿真手段，探索高速加工以及增减等材复合制造中材料表面完整性的演化规律，为企业提供难加工材料的高效优质加工方案。

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编辑：恽海艳   校对：向映姣