关于钨合金超声椭圆振动切割中应变率敏感性的研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Research on Sensitivity of Strain Rate in Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting of Tungsten Alloys

超声椭圆振动切割（UEVC）通过提高应变率显著改善钨合金的加工性能，表面粗糙度可降至32 nm，位错密度达3×101? m?2，晶粒细化层厚度达1300 nm。应变率与超声参数（振幅、相位差）及切削参数的非线性关系通过有限元仿真建立，相位差影响最显著。研究为核聚变设备关键部件的高精度加工提供了新方法。

　　### 深入理解超声椭圆振动切削对钨合金材料去除与表面形成的影响

钨合金因其优异的物理与机械性能，被广泛应用于核聚变装置中的屏蔽和保护部件。这种材料主要由钨（占比85%至99%）作为基体，与其他金属如镍、铁、钴、钼等结合，形成具有双相结构的复合材料。其特性包括超高硬度、高密度以及出色的抗辐射能力，使其成为极端环境下的理想选择。然而，这些材料在加工过程中面临着诸多挑战，尤其是在需要实现超高精度加工（UPM）的场景下。传统的切削方法难以满足对钨合金部件高精度轮廓与表面粗糙度的要求，因此研究如何通过新型加工技术，特别是超声椭圆振动切削（UEVC）技术，来提升加工质量与效率，成为当前研究的重点。

UEVC技术结合了超声振动与常规切削，通过在切削过程中引入周期性的工具与工件分离现象，有效抑制了钨合金中硬脆相与软韧相之间的化学磨损，从而实现了对钨合金的高精度切削。这种技术不仅提升了加工效率，还显著改善了表面质量，为复杂曲面结构的加工提供了新的可能性。然而，尽管UEVC技术在加工性能方面展现出巨大潜力，其背后的具体作用机制仍存在诸多未解之谜。例如，工具在切削过程中不仅具有名义切削速度，还受到超声振动带来的瞬时加速度与振动速度的影响，从而在切削区域形成较高的应变率。这一现象对材料去除机制、表面形貌以及微观结构演变具有深远影响。

为了进一步揭示UEVC技术在钨合金加工中的作用机制，本研究通过实验与仿真相结合的方式，系统分析了应变率效应在材料去除与表面形成过程中的影响。首先，采用Split Hopkinson压力杆（SHPB）实验，获得了不同温度条件下的应变-应力曲线，验证了钨合金的应变率敏感性及其断裂机制的变化。随后，基于工具的动态振动速度，建立了UEVC区域的应变率计算模型，并通过有限元（FE）模拟定量分析了应变率与超声椭圆振动参数以及切削参数之间的非线性关系。研究发现，随着双相振幅和相位差的增加，应变率显著提升，其中相位差对应变率的影响最为敏感。最终，通过切削实验进一步验证了这一结论，实验结果表明，相位差的增加能够有效提升钨合金的塑性去除机制，并使表面粗糙度连续下降至32纳米级别。

在切削实验中，研究团队使用了自行开发的UEVC设备，该设备采用双通道超声发生器，通过数字直接合成（DDS）技术生成参考正弦波，并利用数字相位移位器实现相位控制，输出两相激励信号以激发超声振动单元的纵向与弯曲振动模式，从而实现纵向-弯曲振动。通过调整两相激励的相位差和电压，该设备能够生成多种超声椭圆振动轨迹，满足不同加工需求。实验结果显示，当相位差达到90度时，表面粗糙度降至最低值32纳米，表明该条件下材料的塑性去除机制最为显著。同时，实验还观察到，在高应变率条件下，钨合金表面的位错密度显著增加，达到3×10¹⁷ m^-2，而晶粒细化层的深度增加至1300纳米，晶粒尺寸显著减小。这些现象表明，高应变率能够有效促进钨合金的动态再结晶过程，从而显著改善其微观结构。

在实验过程中，研究团队还发现，超声振动参数对材料去除机制和表面形成特性具有重要影响。通过FE模拟，他们进一步验证了这些参数与应变率之间的非线性关系，并揭示了相位差在应变率调控中的关键作用。此外，实验还表明，尽管增大振幅能够提升应变率，但过大的振幅会导致加工稳定性下降，进而影响表面质量与工具寿命。因此，在实际应用中，需要在提高应变率与保持加工稳定性之间找到平衡点。通过优化相位差，不仅能够显著提升加工性能，还能够在不牺牲加工稳定性的情况下实现更高的加工效率。

从理论研究的角度来看，UEVC过程中，超声振动参数的引入使切削区域的应变率呈现非线性变化，这一特性使得传统的理论建模方法难以准确描述应变率与加工参数之间的关系。为此，研究团队采用FE模拟方法，深入分析了超声振动参数与应变率之间的动态关系，揭示了不同参数对材料去除机制和表面形貌的影响规律。通过这种分析，他们为UEVC技术在钨合金加工中的应用提供了明确的理论指导，同时也为其他难加工材料的超声振动辅助加工提供了借鉴。

本研究还发现，钨合金在高应变率条件下表现出显著的塑性变形能力。这一现象不仅提高了材料的加工性能，还对材料的抗辐照性能具有积极影响。在核聚变装置中，钨合金部件需要承受高能中子束和高温热流的双重作用，而高应变率能够显著增强材料的位错密度，从而提高其对高能粒子辐照的抵抗能力。这一发现为延长钨合金部件在核聚变装置中的使用寿命提供了新的思路。

此外，研究还指出，UEVC技术的相位差调节范围比传统的振幅和频率调节更为广泛，可达0°至180°，这使得对加工区域的应变率和热力学状态进行精确控制成为可能。这种控制能力不仅有助于提升加工精度，还能够显著延长工具寿命，降低加工成本。同时，通过相位差的调整，可以实现对钨合金材料去除机制的针对性优化，从而进一步提高加工质量与效率。

综上所述，本研究通过实验与仿真相结合的方式，深入探讨了UEVC技术在钨合金加工中的应变率效应及其对材料去除机制和表面形成的影响。研究结果表明，相位差的增加能够显著提升应变率，从而改善材料的塑性去除特性，降低表面粗糙度，并促进晶粒细化与位错密度的增加。这些发现不仅为UEVC技术在钨合金加工中的应用提供了理论支持，也为其他难加工材料的超声振动辅助加工提供了新的研究方向。未来，研究团队计划进一步开发超声振动辅助SHPB测试装置，以更直接地探索高应变率条件下钨合金及其他材料的力学性能与微观结构演变规律，从而推动该领域的深入研究与实际应用。