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超声椭圆振动切割在AISI 1045 上持续加工圆型细微纹沟图案的实验与分析研究

RendiKurniawan1 amp; S.ThirumalaiKumaran2 amp; SaoodAli1 amp; DwiAyuNurcahyaningsih3 amp; GandjarKiswanto4 amp; TaeJoKo1

摘要：本文报道了超声波椭圆振动切割（UEVC）工艺在中等钢合金（AISI 1045）上进行实验和分析研究，通过相对低转速加工（0.5-2.5m/min）来持续加工圆形微槽。在摩擦学领域，由于润滑性能优越，摩擦系数降低，对平面表面微槽的需求显著增加。在微槽加工过程中，分析表面粗糙度，微槽的形态，切削力，和碎屑形成是主要的实验目标。实验结果表明UEVC加工过程与传统切削加工过程相比，UEVC显著的产出更低的表明粗糙度，切削力小，沟槽形貌好，更薄的碎屑厚度，剪切角更大。提出了一种分析UEVC微槽表面粗糙度和切削力的新方法，并对实验结果进行了验证。最终，这些实验研究表明使用UEVC工艺对圆型微槽图案的可持续性加工效果。

关键字：椭圆震动 微型槽 表明粗糙度 切削力 碎屑形成

1.简介

在摩擦学领域，特别是在湿滑接触条件下，对摩擦系数和磨损的控制方面，微沟的需求有所增加。在摩擦学领域，摩擦学表面的高级几何形状一般都是微米级的，如沟槽和凹痕等，这些几何形状已被理论或实验证明可以改善润滑性能。动压效应被认为是造成摩擦减少现象的原因。在滑动接触过程中，由于微槽充当润滑剂的储油器，将润滑剂供给到两个滑动接触表面，因此产生了薄的润滑油膜。因此，由于动压效应，带有微槽的平面表面显著增加了润滑液膜的承载能力。基于这种摩擦学特性，本研究的目的是研究UEVC工艺对微槽的可持续加工。

由于微槽型的摩擦学优点，微槽的真正应用是提高刀具在加工过程中的摩擦学性能。在学术界，用于刀具前刀面防粘的微槽的使用有了显著的增加。所述微凹槽花纹在刀片接触区提供润滑液，润滑液难以进入;因此，前刀面与碎屑的接触长度明显减小。前刀面上的微槽花纹提供了可持续干切削的可能性。更加的，前刀面上的微槽纹沟包括捕捉磨损碎片，减少刀具的凹坑和侧面磨损，减少切削力，降低加工温度。当刀具前刀面上的微槽方向垂直于相对切削速度时，切削力减小，而微槽方向平行于切削速度时切削力保持不变或略大。由于微槽纹沟的影响，与非纳米/微槽刀具相比，在进行干切削评价时，前刀面的摩擦系数较小。与未加工的刀具相比，微槽刀具显著降低前刀面温度约103℃。

1994年，Shamoto和Moriwaki引入了椭圆振动切割(EVC)工艺。EVC工艺因其具有优良的材料去除特性而成为学术界研究的热点，包括以下几个方面:

-降低切割能
-在黑色材料上实现镜面粗糙度
-抑制毛刺
-避免过早损坏刀具
-提高刀具耐用率
-对硬脆材料的切割可能性

Shamoto和Moriwaki提出了使用金刚石刀具切割硬质合金(39 HRC)的EVC工艺。结果表明，EVC工艺获得的切割能量明显低于常规切割工艺。Zhang et al，利用多晶金刚石(PCD)刀具，对Stavax (49 HRC)工件的超声椭圆振动切割(UEVC)进行了实验研究。他们的结论是，在UEVC过程中使用PCD刀具适合于用硬质合金制造模具零件。此外，当采用UEVC工艺时，当主轴转速为15和30 rpm时，PCD刀具磨损不明显。Suzuki等人的报告称，UEVC工艺显著提高了烧结碳化钨(WC)等脆性材料的临界切削深度。Ma等人报道通过诱导UEVC工艺可以实现工件边缘变形区的最小应力推弯，从而消除切割后的毛刺。EVC工艺在切割淬硬模具钢时，减少了2800米切割距离对金刚石刀具的损伤(JIS: SUS420J2)，由Shamoto和Moriwaki报道。Nath等人提出，PCD刀具适用于切割硬质脆性材料，如采用EVC工艺烧结的WC。随着EVC工艺速比的增大，切削载荷在切削刃处增大，刀具磨损增大;因此，由于快速刀具磨损导致表面光洁度恶化。

由于UEVC工艺非常流行，2015 - 2017年UEVC的最新前沿研究已广泛发展为具体案例，如切削力建模、复合切削、硬脆切削、镜面抛光、机械抛光、传感器研制、抑制摩擦颤振等，有限元建模，雕刻表面，微/纳米加工，表面光栅，微沟加工，表面纹理。切削力是一种重要的加工输出，直接关系到产品的表面完整性等质量。由于刀具的椭圆轨迹的影响，一般采用UEVC工艺实现低切削能量的高效切削;因此，获得了更低的切屑厚度和更大的剪切角(Kim和Loh)。因为刀具尖端与纤维相互作用区域的局部应力较低，所以UEVC工艺显著降低了碳纤维增强塑料(CFRP)的地下断裂。UEVC工艺实现了脆性材料(如烧结WC)的韧性模切，脆性材料的切削性能与晶粒尺寸和粘结相有关。Saito等人用UEVC工艺研究了镜面加工过程中金刚石磨损量与合金钢成分元素的相关性。结果表明，由于钨和钒在工件基体中的热化学相互作用，导致金刚石刀具的快速磨损。机械抛光采用UEVC工艺，数值孔径大，取10点测量法平均表面粗糙度(Rz)可达8nm。也被证明实验和理论上讨论发生在普通使用UEVC可以显著抑制切削过程,因为UEVC削减能源的过程明显趋于0,和工件位移的大小与时域相对较小UEVC过程。Kurniawan等人报道称，在低振动频率范围内，采用双频椭圆振动变形工艺加工的微沟图案表面粗糙度低于采用常规变形工艺加工的微沟图案表面粗糙度。根据最近的文献，UEVC工艺是一个很有前途的切割工艺。然而，大量关于中合金钢微开槽的研究鲜有报道，多为铝、铜、黄铜等低强度材料。本文报道了UEVC工艺诱导微槽化的实验研究。

UEVC工艺诱导的先进微槽的研究在学术界备受关注。近年来UEVC工艺诱导出的先进微槽槽形以v形居多，其中锋利的切削刃和v形金刚石刀具使用居多。UEVC工艺明显抑制了微槽出口和侧边区域的毛刺，降低了切削能量，但由于刀具椭圆轨迹重叠的影响，微槽内的表面粗糙度发生了畸变(Kim和Loh)。在微槽加工过程中，由于切屑剪切角的增大和刀具与碎屑之间摩擦力的减小，UEVC工艺产生的切屑成形曲率半径和厚度较小。椭圆轨迹的振动频率（Fm）和切削速度是决定微槽质量的两个主要因素。通过采用高切削速度比(Vf/fm)，可以清楚地观察到微槽上的振动痕迹。此外，较低的切削速度比(Vf/fm)降低了微槽的表面粗糙度，肉眼很难观察到振动痕迹。在UEVC微槽加工过程中，主切割区剪切角大于普通切割角是降低切削力的一个因素(Kim and Loh)。

UEVC微槽加工过程中的切削力可以通过计算切削方向上的横截面积来预测，从而获得每个振动周期的切削体积。采用椭圆振动变形(EVT)工艺实现了低切削速比(Vf/fm)条件下微细槽几何结构的重叠。基于上述文献，本研究的目的是通过实验研究使用UEVC工艺加工圆形微槽的可行性。在UEVC过程中，最近提出了一种预测UEVC过程中切削力的分析方法。在UEVC工艺中，被去除的工件材料的数量和特定的切削压力与切削力的值直接相关。Ma等人利用傅立叶级数确定了UEVC过程中的推力。假定推力的切削力状态为正(法向)或反(负)方向，为处于间歇切削状态的矩形循环。采用傅里叶级数分析了UEVC中推力的状态。假设反推切削力降低了平均切削力和切屑厚度，有利于碎屑流出。Shamoto等人提出通过计算关键刀具位置的时间瞬间来计算3D-EVC的切削合力。Zhang等人进行了正交切削力分析，计算了瞬态切削厚度。同时，Bai等人提出了一种非等距剪切带模型来预测EVC中的剪切角、刀片摩擦角和剪切角来预测切削力;因此，不需要进行实验。Jieqiong等人提出了斜向EVC过程中切削力分量的解析计算方法。他们的方法是基于瞬态剪切厚度和瞬态剪切角的计算。利用最大剪应力原理确定瞬态剪切角。

EVC过程的研究虽然付出了大量的努力，但至今尚未完成。本研究报告对中合金钢(AISI 1045)在相对低速加工(0.5-2.5 m/min)中连续加工圆形(R-sharp)微槽的UEVC工艺进行了实验和分析研究。本研究的目的是在UEVC过程中扩展信息，建立微槽模型。本文的主要目的是介绍一种新的表面粗糙度和切削力的基于数据回归分析的分析方法。

2 微槽的轮廓

根据刀具的几何形状，有许多微槽图形的轮廓。如图1所示，微槽的各种外形可分为四种形状:v形、锯齿形、矩形和圆形槽。v型槽可进一步分为三类:I型(图1a)、II型(图1b)、III型(图1c)。通常，I型的v型微槽(图1a)是对称的v型槽，用于衍射光栅。II型的v型微槽(图1b)是对称的v型槽，每个槽的间距/间隙相等，其功能通常用于摩擦学目的，如减少摩擦、抗粘附和捕获磨损碎片。型微槽(图1c)为梯形，其功能为微/纳米流体微通道。图1d为锯齿状的微槽，其v形槽不对称。这种锯齿形齿槽在菲涅耳透镜中得到了广泛的应用。图1e显示了圆形的微槽，这些微槽通常用于透镜模具。电火花线切割加工 电解抛光，可精密加工出透镜状模具;然而,其加工速度缓慢(30-10mu;m / s)是一个主要的缺点这个过程。在矩形微槽的情况下(图1f)，矩形微槽需要特殊的矩形刀具来制造这种形状。适用于矩形微槽的加工方法是电火花加工。矩形微槽容易通过微铣方法获得；然而，在微槽/打孔工艺中，由于明显的毛刺显现，必须优化微铣削工艺。

在圆形微槽的情况下，有两种微槽。图2所示为圆形刀尖沿切削速度方向切削时，相邻两道

v -形的III型

v形II型

v形I型

矩形

圆形

锯齿形

图1 微槽形状的一般形式。

a v形I型 b v形II型 c v -形的III型 d 锯齿形 e 圆形 f 矩形(Sawada 等人 2000年)

凹槽之间的间隙大于零(图2a)，等于零(图2b)。因为刀具边缘是圆形的，所以微槽的形状与刀具的形状相同。本文以Lb大于零的微槽花纹为主要目标。如图二显示圆形微槽的宽度可由如下决定：

-如果两个相邻沟槽之间的差距(Lb) gt; 0

-如果两个相邻凹槽之间的间隙(Lb) = 0

图二 两种圆形微沟 a Lbgt;0 b Lb=0

加工表面

加工表面

刀具

3 EVC原则

图3说明了刀具在二维直角坐标系(y-z)平面上的顺序振动。y轴表示切割方向，z轴表示切割深度(DOC)方向。中性轴表示刀具不振动时;换句话说，CC过程发生了。一般情况下，刀具通过压电驱动器在两个方向上连续振动，建立一个椭圆轨迹。椭圆轨迹重叠在每个时期的最大刀具振动速度高于名义切削速度在y方向(2pi;fma gt; VF)。(2pi;fma gt; VF)是间歇性EVC过程中切割要求。当椭圆轨迹在每个周期内重叠时，形成被加工表面的尖端。刀具从A点开始切割(如图3所示)，并在A点建立被加工表面的尖端。在EVC过程中，DOC在每个周期内周期性变化，即被切厚度(TOCt)。在点B处出现最大TOCt，即刀具前刀面的载荷最大。刀具开始爬在C点,即剪切角值仍然是变化无常的瞬态剪切角当坡角theta;(t)大于CC过程中剪切角。当刀具从C点到达D点时，刀具与变形的碎屑脱离，EVC过程在一个周期内完成。许多科学家认为摩擦反转效应是导致切削力[45]减小的原因。

假设刀具在y和z方向上依次振动，刀具相对于静止工件的相对运动可以表示为：

y轴和z轴振幅分别用a和b表示。调频是超声振动频率,VF是在y方向上相对切削速度,ɸ是90年成立的相移常数在这项研究中,t是时间。

刀具相对于工件的速度可以用刀具位置在y轴和z轴方向上的时间导数来表示

其中Vy(t)和Vz(t)分别为刀具在y方向和z方向上的速度。瞬态速度矢量和幅值速度分别在方程7和8中描述

椭圆路径的坡度角theta;(t)的定义是相对于轴,它可以描述如下：刀具磨损增大;因此，由于快速刀具磨损导致表面光洁度恶化。

由于UEVC工艺非常流行，2015 - 2017年UEVC的最新前沿研究已广泛发展为具体案例，如切削力建模、复合切削、硬脆切削、镜面抛光、机械抛光、传感器研制、抑制摩擦颤振等，有限元建模，雕刻表面，微/纳米加工，表面光栅，微沟加工，表面纹理。切削力是一种重要的加工输出，直接关系到产品的表面完整性等质量。由于刀具的椭圆轨迹的影响，一般采用UEVC工艺实现低切削能量的高效切削;因此，获得了更低的切屑厚度和更大的剪切角(Kim和Loh)。因为刀具尖端与纤维相互作用区域的局部应力较低，所以UEVC工艺显著降低了碳纤维增强塑料(CFRP)的地下断裂。

3.1 表面粗糙度模型

工件

加工表面

椭圆刀具路径

中心轴

椭圆轨迹

切割刀具

畸形碎屑

图三 描述EVC过程

在本研究中，对EVC过程产生的表面粗糙度进行了建模，并由两个部分组成。第一个分量是考虑切削刃半径的理论粗糙度，第二个分量是残差，采用回归分析建模。方程10描述了用于预测EVC工艺生成的表面粗糙度的表面粗糙度模型。Re_th为理论表面粗糙度，Rres为残余误差表面粗糙度。

根据张某等人提出的切削刀具运动学和切削刃半径的影响，建立了理论表面粗糙度

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