《Measurement》：Measurement and evaluation of metal alloys-specific adaptability for ultrasonic-assisted cutting process: energy-based methodology
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•开发了一套专用的超声辅助正交切削系统，用于研究金属材料对超声辅助的适应性。•从能量角度提出了一种新的定量指标，用于评估超声对工件材料的影响。•与传统的可加工性评估方法相比，结合切削力和切削长度的新能量基方法在量化超声对可加工性的影响方面更加稳健和高效。引言超声振动辅助加工（
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开发了一套专用的超声辅助正交切削系统，用于研究金属材料对超声辅助的适应性。
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从能量角度提出了一种新的定量指标，用于评估超声对工件材料的影响。
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与传统的可加工性评估方法相比，结合切削力和切削长度的新能量基方法在量化超声对可加工性的影响方面更加稳健和高效。
引言
超声振动辅助加工（UVAM）是一种先进的制造方法，该方法通过换能器（例如压电式或磁致伸缩式）将高频电能转化为机械振动。这些振动被叠加到切削加工过程中，通过机械相互作用和空化效应促进材料去除[1]、[2]。它在提高广泛材料的可加工性方面已展现出显著的有效性。大量研究已被开展以探究UVAM的底层机理和性能特征。其中部分研究侧重于基础切削属性，包括运动学建模[3]、刀具-工件接触模型[4]以及切削性能分析[5]。其他研究则侧重于表面完整性和亚表面特性，涵盖损伤形成与抑制[6]、表面织构策略[7]以及功能化表面的制备[8]。然而，先前的研究主要集中在表征UVAM对特定材料的影响。对于超声振动如何在不同材料中影响材料去除的详细了解仍然缺乏。研究超声处理对不同工件材料可加工性的影响，对于阐明超声对不同材料作用的底层机理至关重要。
作为一种能量辅助加工技术[9]、[10]、[11]，从能量角度探索超声对不同材料可加工性的影响应该是UVAM的一个良好选择。已有多种新型切削装置被开发用于从能量角度研究可加工性。Ye等人[12]基于光-气加载系统开发了一种实验装置，可在高且可变速度下执行正交切削操作。Sutter和List[13]采用类似的弹道切削装置进行正交切削试验，以研究高速切削机理。Xu等人[14]、[15]设计了一种预定义长度的新型试样，通过基于摆锤的切削试验分析切削过程中消耗的能量，从而实现了切削速度的大幅变化。然而，超声振动辅助切削在该领域的研究仍然稀少。
传统的指标如切削力[16]、变形行为[17]和产热[18]在切屑形成过程中提供了有价值的信息。然而，它们仅仅代表切削能量消耗过程的表现[19]。这些指标通常仅捕捉切削过程中可加工性演化的一个方面，且被特征化为离散的、时间相关的中间变量。此外，刀具寿命[20]、表面完整性[21]和切屑形貌[22]等后处理指标也常用于评估可加工性。此类测试程序通常资源密集且伴随较大成本。目前提出了几种评估可加工性的新型指标，以全面表征材料的切削行为。Yaroslavtsev[23]调查了各种工件材料相对于AISI 321的可加工性系数，并将材料的断裂比能与相应的可加工性系数进行了比较。Binali[24]考察了干切削和微量润滑加工环境对铣削过程中可加工性指标的影响，以提高Inconel 718高温合金的可加工性。在机器学习过程中，采用均方根误差和决定系数指标作为评估指标来评估研究结果。Ma等人[25]探讨了切削距离作为可加工性优化指标，这不仅简化了可加工性表征程序，还为先进材料、刀具和加工技术的开发提供了一种优化方法。然而，评估不同工件材料对超声辅助适应性的有效指标和全面研究仍然缺乏。
本研究提出了一种研究超声对不同材料可加工性影响的新方法。基于之前设计的重力驱动锤式正交切削（GDHOC）试验机设计了相应的超声装置，形成了重力驱动锤式超声振动辅助正交切削（UVAOC）平台。研究了CP Ti、TC2、TC4、7075铝合金和AISI 1045在超声辅助和传统切削条件下切削力的变化及相应的切削比能。随后，考察了五种材料在有和没有超声辅助时切削长度的变化，并计算了材料去除所用能量相对于总输入能量的比例。通过整合切削力和切削长度指标，从能量转化的角度揭示了超声辅助对不同材料有效性的差异。本研究提供了一种表征UVAM对不同材料适应性的新方法，与传统后处理评估相比，显著降低了工作量和成本。它还为推进超声在各种材料加工中的应用提供了新的见解。
章节摘要
UVAOC装置设计
新设计的超声振动辅助切削装置被集成到先前建立的GDHOC平台中，形成了重力驱动锤式UVAOC系统，用于从能量角度研究超声对不同材料影响的差异，如图1所示。超声频率范围为19–22 kHz。超声发生器产生的高频信号通过航空插头供给换能器，以实现
切削力和切削比能
图4显示了三种钛合金在超声辅助和传统条件下切削过程中的切削力。测力仪的测量阈值为<0.01 N。这表示对于数百牛顿量级的切削力测量值，其差异不到0.01%。
可以观察到，超声能量的应用使所有三种材料的切削力均有所降低。然而，这种降低的程度
结论
本研究提出了一种评估超声振动在不同材料切削过程中适应性的新方法。通过将超声激励模块集成到先前建立的GDHOC装置中，开发了专用的超声辅助切削系统，形成了重力驱动锤式UVAOC平台。提出了一种评估超声辅助对不同材料适用性的新的定量指标。对比分析
CRediT作者贡献声明
王晶：监督指导、资源获取、项目管理、方法学、经费获取、概念构思。刘强站：撰写-审阅与编辑、可视化、监督指导、资源获取、项目管理、方法学、经费获取、数据整理、概念构思。马凯：可视化、软件、方法学、调查研究、数据整理、概念构思。王冰：监督指导、资源获取、项目管理、方法学、经费获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究由国家自然科学基金（92360311和U24B2057）资助。本工作还得到了山东省重点研发计划（2023JMRH0307）和山东大学自主仪器与设备项目（zy20240303）的资助。
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