简介

钛合金具有优秀的比强度和良好的耐腐蚀性。由于这些特性，Ti6Al4V等钛合金通常用于航空航天工业和汽车应用。在过去的几十年里，钛合金精炼在高温性能和蠕变特性方面取得了长足的进步。所有类型的钛合金都难以切割，特别是精炼合金，因此我们研究了使切割体积最小化的替代制造链。
磨料水射流(AWJ)切割提供了一种替代制造方法。使用AWJ的主要优点是可加工材料种类多、刀具寿命长、刀具磨损与被加工材料无关。当两个精确深度的切口重叠时，使用AWJ可以有效地执行铣削操作[FAL18]。通过首先将径向切削成一根连杆，然后将轴向切削成同一工件的端面，可以将这一想法转化为车削操作；因此，便可以制造圆柱形轴端或圆柱形管(图1)。

本研究第一步首先在Ti6Al4V上进行径向AWJ切割，并对其进行分析。与之前HASHISH和ANSARI[HAS95]的研究不同，该射流指向旋转中心。图2说明了径向AWJ切口切割过程的原理。在传统车削中，初始直径为dw的工件以转速n旋转。水射流会影响工件与给定压力p和磨料流速。在切割过程中，水射流喷嘴到接触面积的距离从初始距离s增加到初始距离s加上切割深度dc。因此，切割深度dc是评估设置参数效果最相关的参数。此外，切口底波度w是评估该过程均匀性的一个有效参数。切口底波度w是到旋转中心的最高距离和最低距离之间的差值，如图2所示。

切口底半径r是用于描述切口底形状的另一个目标值。对于给定的全直径dw的切口宽度，大r值与外壁更陡的更宽切口关联，小r值与更窄的切口关联。

实验程序

实验在德国施韦因富特的MAXIMATORJET GMBH的水射流系统HRX 160L上进行。所选实验设计包含四个因素的完整中心复合设计，测试计划重复两次，中心点重复14次。生成的实验设计根据MYERS[MYE09]的标准化测试计划构建。测试参数为压力p、转速n、磨料流速和暴露时间t(表1)。孔板直径do、焦距长度lf、焦距直径df、磨料材料和大小等参数均按行业标准选取(图3)，并在实验过程中保持恒定。目标值为切割深度dc和切口底半径r。

切口底半径r通过德国上科亨CARL ZEISS INDUSTRIELLE MESSTECHNIK GMBH的O INSPECT 543多传感器测量装置进行分析。其他长度和深度通过德国贝尔吉施格拉德巴赫FRT GMBH的3D测量装置microProf 100进行测量。选择经验二阶回归模型、方程1描述目标值。该模型包括所有线性主效应、一阶相互作用效应和所有设置参数的二次效应。使用美国马萨诸塞州纳蒂克MATHWORKS, INC., 的MATLAB和Statistics Toolbox Release 2015b计算β值。为了确定效果的显着性，选择95％的标准置信水平。

结果与讨论

在本实验中，实现了切割深度dc在dcmin=0.35mm和dcmax=8.68mm之间的切口。最深切割深度dcmax在最大压力下实现。最大压力也会产生最大切口底波度wmax=537µm。考虑到工件初始最高波度wini=250µm和AWJ突然结束，在切口底留下一个梯段，最大切口底波度w似乎是可行的。此外，最小半径rmin也与最大压力相关联。切口底半径r在rmin=0.13mm和rmax=0.41mm之间变化。除旋转速度n之外，设置参数的所有线性效果都很显着。

根据等式1构建的回归模型与表2中的β值相关联，从而说明了结果并分析看了发生的影响。图3中的图显示了两个重要参数对一个目标值的影响，而其他两个参数保持不变。图3a描绘了取决于压力p和磨料流速的切割深度dc。通常，切割深度dc随着压力p的增加而增加。此外，当出现低压p时，较高的磨料流速会导致较小的切割深度dc，而在中等磨料流速时达到最大。随着压力p的增加，最大切割深度dc转移为更高的磨料流速。这些效果揭示，水射流的能量和材料去除量随着压力p增加而增加，并且当压力更大从而水流更大时，能够加速更多磨料。切割深度dc的指数增长表明，当达到较大的切割深度dc时，AWJ的停留时间也会延长。靠近旋转中心的余料减少导致进给速度减慢，从而导致停留时间延长。因此，切割深度dc的指数增长只适用于径向AWJ切口切割。图3b显示了根据曝光时间t和压力p，切割深度dc的结果。对于中等压力p，可观察到切割深度dc增加。如果两个值都较高，曝光时间t与压力p为正相互作用，可实现最大切割深度dc。这种效果也是AWJ停留时间增加的结果。

图3c和图3d中的切口底半径r显示出与切割深度dc相比的相反行为。首先，半径r随压力p减小而增加。其次，在图3c中可以观察到，压力p和磨料流速之间呈负相互作用。这种相互作用导致当压力p较小，而磨料流速较大时实现最大半径r，此外，当磨料流速较小，压力p较大时实现局部最大值。观察到的部分行为与切割深度dc有关。直径r越小，切割深度dc越深。然而，这些效果还揭示，水射流弹性越大，磨料流速越大。因此，磨料颗粒越多，水射流越密集和均匀。

为了评估该模型的质量，需要考虑确定系数R²。对于切割深度dc，二阶模型的确定系数R²=0.99。因此，只有1％的观测结果被分配为无法解释的散射余量。半径r的确定系数显示出更大，但仍然满足要求的无法解释的散射余量(R²=0.88)。

总结

通过进行调查，扩大了AWJ的作业范围径向AWJ测试允许在t=16秒内在Ti6Al4V中制造切口深度为dc=8.68mm的切口。此外，仅观察到波度w的轻微增加。此外，切割深度dc和半径r的回归模型充分描述了设置参数对目标值的影响。结果与模型之间的高度相关性允许精确预测切割深度dc。此外，衍生模型为轴向和径向切口的组合过程提供了基础，从而为AWJ提供了有效的车削作业。这种方法通过低磨损切削操作拓宽了钛合金的制造技术。

鸣谢

本文以DFG UH 100/206-1项目所获得的结果为基础，由Deutsche Forschungsgemeinschaft(DFG)的大力支持。

参考文献

FAL18 Faltin, F.:Endkonturnahe Schruppbearbeitung von Titanaluminid mittels Wasserabrasivstrahlen mit kontrollierter Schnitttiefe.Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin.Hrsg.:Uhlmann, E. Dissertation, Technische Universität Berlin.Stuttgart:Fraunhofer IRB, 2018.
HAS95 Hashish, M., Ansari, A.:Erosion modes during AWJ lathe slotting.ASME Manufacturing Science and Engineering MED-Vol. 2-2 (1995), S. 1263 – 1269.
MYE09 Myers, R., Montgomery, D., Anderson-Cook, C.:Process and Product Optimization Using Designed Experiments.Response surface methodology.New Jersey:Wiley, 2019.

Eckart Uhlmann                        
邮箱: uhlmann@iwf.tu-berlin.de
Constantin Männel*
邮箱: *maennel@iwf.tu-berlin.de
Institute for Machine Tools and Factory Management, Technische Universität Berlin,
Pascalstraße 8-9, 10587 Berlin, Germany