超声椭圆振动切削中相位差对钨合金加工性能的影响机制及优化研究

研究人员针对钨合金超精密加工(UEVC)中相位差影响机制不明确的问题，通过建立多因素表面创成模型，结合有限元仿真和自主开发系统实验，发现增大相位差可提升应变率至105 s-1量级，实现Ra=32 nm表面粗糙度，并揭示位错密度演化规律，为核聚变装置关键部件加工提供理论依据。

　　

在核聚变装置这个"人造太阳"的核心区域，高温等离子体屏蔽部件如同守护神般承受着高能粒子的持续轰击。钨合金(93W-4.5Ni-2.5Fe)因其优异的耐高温、抗蠕变等特性成为首选材料，但其两相结构带来的加工难题却令人头疼——坚硬的钨颗粒让刀具"折戟沉沙"，而粘软的Ni-Fe结合相又容易与金刚石工具发生石墨化反应。传统电化学加工不仅环保风险大，仿形电极制造更是"卡脖子"难题。虽然超声椭圆振动切削(UEVC)技术通过"反向摩擦"、"变切削角"等特性已实现镜面加工，但关于相位差这个关键能量场参数的研究却长期空白。

大连理工大学的研究团队独辟蹊径，以金刚石刀具刃口中心为特征点，构建了考虑刀具半径与振幅关系的多因素UEVC表面创成模型。通过有限元仿真和自主开发的UEVC系统，首次系统揭示了相位差Δφ对钨合金加工的"蝴蝶效应"：当Δφ从0°增至90°时，应变率飙升两个数量级达到10⁵ s^-1，这相当于给材料施加了"时空压缩"效应，促使钨合金进入塑性去除模式。实验数据更显示，优化后的相位差可使表面粗糙度Ra降至32 nm，媲美传统抛光效果。

研究采用三大关键技术：基于CEL的有限元建模精确模拟切削区行为；双通道超声电源实现0-360°相位差精确调控；EBSD和TEM联用解析位错演化。在"相位差对UEVC的影响机制"部分，创新性地将刀具半径与振幅共同纳入椭圆轨迹建模，发现Δφ增大能降低残留高度21.7%。有限元分析显示，90°相位差时切削力降低38.4%，切削温度下降194°C，这归因于振动轨迹倾斜度改变带来的"间歇切削"效应。

"实验条件"部分详细介绍了自主研发的UEVC系统，其通过优化压电换能器布局，实现了纵向-弯曲振动模态的共振合并。在加工参数控制上，采用20kHz频率、1.5μm振幅，通过金刚石刀具的纳米级刃口半径(100nm)与振动轨迹的协同作用，创造出独特的材料去除条件。

"讨论"部分揭示了相位差影响的多层次机制：高应变率诱发位错运动速率提升，促使Pomeron力(材料抵抗塑性变形的能力)增强，形成位错增殖-晶粒细化-硬度提升的连锁反应。残余压应力测试显示，90°相位差样品表面应力值达-1.2GPa，这为核聚变部件抗辐照性能提供了微观结构保障。

该研究发表于《Ultrasonics》的结论部分指出，相位差调控是UEVC技术中尚未充分开发的"性能调节阀"。通过建立相位差-应变率-表面完整性的定量关系，不仅解决了钨合金超精密加工难题，更为其他难加工材料的振动辅助加工提供了普适性理论框架。值得一提的是，香港理工大学合作团队通过GRF项目(15221322)支持的跨区域合作模式，为这项研究注入了创新活力。正如研究者Yin等强调的，这项成果标志着超声加工从"参数优化"阶段迈入了"能量场调控"的新纪元。