延性金属非接触超声波磨削加工中单点去除轮廓演化的建模与实验研究

《Precision Engineering》：Modeling and experimental investigation of single-point removal profile evolution in non-contact ultrasonic abrasive machining of ductile metals

　　

• 评估了AISI 430F不锈钢的轮廓预测模型。• 预测轮廓与实测轮廓的相关系数高于0.94。• 宽度与深度之比反映了从宽浅到深窄的凹坑演变过程。• 工艺参数决定了主凹坑的宽度与深度演化。• 三维形貌揭示了不均匀的边缘堆积响应。

引言
延性金属因其优异的强度、韧性和耐腐蚀性，被广泛应用于机械设备、工程结构和关键承重部件中[1]。这些部件通常对几何精度和表面完整性有严格要求，因为表面缺陷和次表面损伤会直接影响服役可靠性和疲劳寿命[2],[3]。传统的接触式精密表面精加工方法，如磨削和抛光，在加工延性金属时容易产生加工硬化、塑性变形以及表面或次表面损伤[4],[5]。因此，探索高效、低损伤的非接触式精密加工方法对于高质量加工复杂的延性金属部件具有重要意义。

在精密抛光和确定性形状校正中，对材料去除轮廓的准确建模对于轮廓预测和工艺参数优化至关重要。Ren等人[6]和Guo等人[7]分别研究了计算机控制的超精密抛光和液体射流抛光中的材料去除轮廓建模，为去除轮廓预测和提高加工精度提供了有用的参考。非接触超声磨料加工（NUAM）作为一种新兴的精密加工技术，为减少传统接触式加工造成的表面损伤提供了一条可行途径。Ichida等人[8]提出了一种非接触超声磨料加工方法，并实验研究了超声作用下自由磨粒参与和材料去除的基本机理。Yu等人[9]和Chen等人[10]分别从流场变化和空化效应的角度分析了超声作用下的磨粒参与和材料去除。这些研究表明，超声加工中的材料去除受超声振动引起的流体流动和空化效应的共同影响。为实现轮廓预测并支持工艺控制，仍需要一个同时考虑超声振动引起的流动和空化效应的去除轮廓模型。

现有的超声抛光建模研究大多集中在接触或半接触系统上，材料主要包括光学玻璃和陶瓷等硬脆材料。Liang等人[11]建立了BK7光学玻璃超声振动辅助抛光的材料去除率模型，并分析了超声振动场下嵌入和自由磨粒的运动轨迹。Qu等人[12]建立了K9光学玻璃超声振动抛光的材料去除轮廓模型，综合考虑了超声振动下接触区域中动态压力变化、声压衰减和磨粒不均匀分布。Chen等人[10]数值分析了SiC陶瓷超声抛光过程中固定磨粒的压入和自由磨粒的冲击行为，建立了同时考虑机械振动和空化的磨粒动力学模型。这些研究为超声抛光中材料去除行为的建模提供了有用的参考。然而，大多数现有模型的假设是在接触或半接触条件下制定的，主要关注硬脆材料在接触压入、冲击和脆性去除方面的响应，这使得这些模型难以直接推广到延性金属上，后者的材料去除与塑性变形和犁沟密切相关。

对于纯非接触研究，现有研究大多关注振动引起的流动或超声空化。Yu等人[9]通过CFD模拟和实验研究了超声抛光过程中的悬浮液流场。其结果表明，超声振动引起流场的周期性动态变化和涡旋形成，材料去除主要与横向剪切流动相关。Ge等人[13]结合数值分析和实验研究了超声辅助柔性磨料加工中的流动和抛光特性，结果表明超声振动可以增强流体运动和流体动态压力，从而提高磨粒与工件壁的相互作用强度和抛光效率。Fu等人[14]数值研究了空化下冲击波、微射流和微磨粒的协同效应，并分析了空化溃灭下微磨粒速度和压力的变化。总体而言，现有非接触研究大多只关注流动驱动效应或空化效应，而在二者共同影响下单点去除轮廓预测仍显不足。

与硬脆材料相比，针对延性金属的纯非接触研究仍相对有限。Li等人[15]通过CFD模拟和非接触点抛光实验研究了金属超声振动抛光中的浆料动力学和材料去除行为。其结果表明，不同区域的材料去除机理存在显著差异。此外，延性金属和硬脆材料在材料去除响应方面也表现出明显差异。对于延性金属，材料去除通常表现为表面剪切变形和局部塑性流动[16]；对于硬脆材料，则更多表现为压入下的裂纹扩展、断裂和剥落[17]。Agarwal[18]在综述中也指出，玻璃和陶瓷等硬脆材料的超声加工中，材料去除通常以微脆性断裂为主。因此，现有模型仍难以直接描述非接触超声磨料加工中延性金属的去除行为。这一局限性在旋转条件下的单点去除中尤为明显，目前仍缺乏一种同时考虑振动引起的流动和空化并与实验去除轮廓相匹配的预测模型。

基于上述分析，本研究建立了一个非接触超声磨料加工延性金属中非旋转条件下用于去除轮廓预测的单点去除函数（SPRF）模型。该模型纳入了法向冲击、近壁面内流动和有效冲击频率分布的特征描述，以描述单点去除轮廓的演变。模型系数通过单点去除实验进行标定。然后在所研究工艺范围内的16个正交条件下评估了预测性能。分析了关键工艺参数对去除轮廓和边缘响应的影响，为非旋转NUAM中的轮廓预测和参数选择提供了参考。

本文其余部分组织如下：第2节介绍NUAM的基本原理和材料去除过程。第3节建立单点去除函数模型。第4节描述实验方法和模型标定方法。第5节讨论模型预测结果，并分析关键工艺参数对单点去除轮廓演变和边缘响应的影响。第6节总结主要结论。

章节片段

NUAM原理
非接触超声磨料加工（NUAM）的基本原理如图1所示。加工过程中，工具头在超声激励下产生高频轴向振动，并与工件表面保持一定的加工间隙。间隙中充满磨料悬浮液。超声振动改变加工区域中抛光浆料的流动状态并诱发空化，从而影响磨粒在加工

单点去除函数模型的开发
在非接触超声磨料加工（NUAM）中，单点去除过程受超声振动引起的流动和空化的共同影响，导致去除过程相对复杂。为预测所研究NUAM条件下延性金属的材料去除轮廓（MRP），基于以下假设建立了一个机理驱动且经实验标定的单点去除模型：（1）SiC磨粒近似为

材料与试样参数
本实验选用AISI 430F不锈钢作为工件材料，试样尺寸为。AISI 430F是一种易切削铁素体不锈钢，在当前磨料加工条件下表现出延性变形特征，因此被用作模型评估的代表性延性金属。由于AISI 430F是唯一实验研究的工件材料，因此标定系数和定量预测精度仅针对该

结果与讨论
基于上述轮廓预测结果，本节进一步讨论单点去除凹坑形貌的演变特征。具体而言，首先比较预测和实测轮廓以支持后续的形貌参数分析。然后基于宽度与深度之比分析关键工艺参数对主凹坑形貌演变的影响。最后通过结合边缘

结论
为解决延性金属非接触超声磨料加工中单点去除轮廓演变的预测问题，本文开发并通过单点去除实验标定了一个单点去除函数（SPRF）模型，并在16个正交条件下评估了其预测性能。主要结论如下：

1. 所提出的模型能够在所研究的正交条件下合理再现单点去除轮廓。在16CRediT作者贡献声明中

作者贡献声明
Zhilong Xu：写作—审阅与编辑、监督、资源。Dalong Zhang：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、验证、软件、方法论、研究、形式分析。Xianling Li：监督、资源、方法论、概念化。Jingchang Chen：写作—审阅与编辑、可视化、软件、形式分析。Lisha Du：写作—审阅与编辑、验证、研究、数据管理。Xiuyu Chen：资源、方法论、概念化。Jianhang

利益冲突声明
作者声明不存在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。

数据可用性
支持本研究结果的数据可向通讯作者合理请求获取。

利益冲突声明
? 作者声明不存在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
作者衷心感谢伏夏泉国家自主创新示范区协同创新专项[基金编号：3502ZCQXT2023009]和中国厦门市自然科学基金[基金编号：3502Z202372025]提供的资金支持。

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