磁场辅助对钛合金超精密单点金刚石车削可持续加工表面光洁度影响的实验研究gydF4y2B一个

1介绍gydF4y2B一个

在先进的制造技术中，单点金刚石车削(SPDT)是制造光学表面粗糙度低至1纳米的光学元件的最先进技术。在SPDT过程中，有不同的因素会对光学表面生成机制产生负面影响，并降低光学表面光洁度的质量。在脆性和难切削材料的金刚石车削过程中，会引起损伤因素的影响。刀具磨损、切削温度、刀具寿命和光学表面粗糙度是超精密制造中的重要因素，这些因素在钛合金和不锈钢等难切削材料的金刚石车削中受到显著影响(gydF4y2B一个Zhang等，2015gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2020bgydF4y2B一个；gydF4y2B一个Goel等人，2021年gydF4y2B一个)．分析模型和非常规加工技术是在难切削材料的SPDT过程中采用的解决方案，以改善切削条件和加工过程中表面粗糙度的结果。金刚石车削制品的表面形貌和过渡边宽度是工程材料先进制造的关键因素。近年来，人们提出了一种非传统的方法来预测和评估难切削材料先进制造中的三维表面粗糙度和表面纹理。通过建立解析表面形貌模型，可以确定不同加工因素/条件对加工工件质量的影响(gydF4y2B一个Chabot等人，2022gydF4y2B一个；gydF4y2B一个karmiris - obratazynski等人，2022gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Molnar和Szabo, 2022年gydF4y2B一个)．此外，不同的非常规技术也被开发和应用于超精密SPDT，包括主动振动、热加工、离子注入、气体保护和磁操纵技术(gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2020agydF4y2B一个)．gydF4y2B一个

主动振动系统和热加工技术是有效的解决方案，对SPDT过程的结果产生了积极的影响。主动振动和热加工解决方案在不同材料先进制造中的应用已得到广泛认可(gydF4y2B一个辛格和汉巴，2006年gydF4y2B一个；gydF4y2B一个库马尔,2013gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Venkatesan等人，2014gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2020agydF4y2B一个)．虽然主动振动和热加工解决方案是有效的，但它们对加工条件和光学表面生成质量有负面影响。主动振动技术，包括超声辅助SPDT，可引起表面损伤和被动振动。热加工解决方案，包括激光辅助SPDT，在金刚石切割过程中提高切割温度。提高切削温度对材料膨胀和刀具磨损有负面影响，同时影响表面光洁度的质量。氮冷等离子体射流和磁场辅助技术是最近发展起来的一种技术，可以辅助SPDT过程，提高光学表面生成机制的质量，而不会对金刚石切割过程产生负面影响(gydF4y2B一个徐等，2012gydF4y2B一个；gydF4y2B一个徐等，2014gydF4y2B一个；gydF4y2B一个袁等，2017gydF4y2B一个；gydF4y2B一个朱等，2018gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2020agydF4y2B一个)．gydF4y2B一个

在上述非常规辅助技术中，磁场辅助在SPDT加工中的应用在改善加工条件和表面光洁度方面显示出良好的效果。这种技术是被动的、非接触的、低成本的。在这项技术中，两块强钕永磁体被用来在钻石切割区域周围形成磁场，磁场的磁通密度是可控的。该技术可以对不同的加工参数和切削机制产生积极影响，而不会对光学表面生成机制产生负面影响(gydF4y2B一个Peruri和Chaganti, 2019年gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)．如gydF4y2B一个图1gydF4y2B一个，磁场辅助的应用对不同的表面生成机制和加工参数有积极的影响。应用磁场产生阻尼效应，减少被动振动，同时改善未切削和过切削切屑的形成。它可以增强工件材料的性能，提高工件材料的导热性，从而改善切削条件。gydF4y2B一个

Ti-6Al-4V是一种最常用的钛合金，其元素成分在gydF4y2B一个表1gydF4y2B一个．Ti-6Al-4V具有较高的抗拉强度、耐腐蚀性和可制造性。它在不同的行业部门有广泛的应用。这种轻而强的合金在高负荷结构中节省了重量，因此非常适用于喷气发动机、燃气轮机和机身部件。低密度、高强度、高耐腐蚀性和生物相容性是Ti-6Al-4V在桥梁、植入物和重建板等应用中的诱人特性。由于其对大多数腐蚀性酸和碱的高耐腐蚀性，其应用也扩展到海洋和化学工业。然而，钛合金的导热系数低，钛合金的超精密SPDT与可加工性差和相对低质量的表面光洁度有关。高切削温度和磨损与钛合金的超精密制造有关。金刚石刀具磨损大、刀具寿命短、表面质量低是Ti-6Al-4V超精密金刚石车削的主要缺陷。钛合金具有较高的加工硬化可持续性，因为其导热系数较低，且在金刚石车削时切削温度较高(gydF4y2BaArrazola等人，2009年gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Zhang等，2013gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)．与铁磁材料相比，钛的磁性较弱，但可以在材料中看到粒子对磁场的反应。钛的磁化率为14.6 ppm，说明材料具有正向顺磁行为，这意味着在磁场辅助下钛的SPDT过程中，钛工件的磁矩倾向于与外加磁场发生反应并对准。gydF4y2B一个

在Ti-6Al-4V的纯机械超精密SPDT中，通常达到30 nm以上的平均表面粗糙度，相对较高(gydF4y2B一个Lou和Wu, 2022年gydF4y2B一个)．磁场辅助在超精密SPDT中的应用是先进制造技术中一个相对较新的课题。最近进行了一些实验研究，以评估在Ti-6Al-4V的超精密SPDT中使用磁通密度为0.01和0.02 T的磁场辅助的效果(gydF4y2B一个叶和杜琪峰，2019agydF4y2B一个；gydF4y2B一个叶伟强和杜琪峰，2019bgydF4y2B一个)．实验研究结果表明，提高磁场强度对加工条件有积极影响。使用磁场辅助SPDT平台在Ti-6Al-4V上加工的最佳表面光洁度报告由(gydF4y2B一个Khalil等人，2022年gydF4y2B一个)，在磁场强度为0.02 t的磁场辅助SPDT平台上获得了平均13.3 nm的表面粗糙度。实验研究结果表明，在金刚石切削过程中施加磁场可以降低被动振动、切削温度、未切削/过切削切屑形成、材料膨胀和表面粗糙度。改进上述机制可减少金刚石刀具磨损并延长金刚石刀具寿命(gydF4y2B一个叶奕峰和杜琪峰，2017agydF4y2B一个；gydF4y2B一个叶伟强和杜琪峰，2017bgydF4y2B一个)．然而，要实现理想的磁场辅助SPDT平台切削Ti-6Al-4V，还需要确定最佳切削条件和加工因素。总的来说，需要对不同难切削材料的磁场辅助SPDT进行更多的实验研究，以研究磁通密度与金刚石切削过程结果之间的相关性。需要确定最佳切割条件，以实现表面光洁度质量方面的最佳结果。gydF4y2B一个

本研究旨在研究在切削区施加平均磁通密度为0.045 T的磁场对Ti-6Al-4V合金超精密SPDT表面光洁度的影响。在本研究中，开发了一种机械结构，可以在切割区域周围施加强磁场，切割区域的平均磁通密度为0.045 T。随后，对Ti-6Al-4V合金工件进行了一系列实验，在不同的加工条件(干式和湿式)下，采用不同的切削参数进行了切削。将磁场辅助加工金刚石车削样品的加工结果，包括加工后表面的粗糙度，与纯机械加工金刚石车削样品的加工结果进行了比较。确定了最佳切削条件，以实现表面粗糙度最小的最佳表面光洁度质量。在下面几节中，详细介绍了实验研究，并对所获得的结果进行了分析和讨论。最后，对本文的研究结果进行了总结，并提出了今后的工作机会。gydF4y2Ba

2方法和材料gydF4y2B一个

2.1理论与原理gydF4y2B一个

为了实现非常规磁场辅助的SPDT平台，应该在工具-工件相互作用区域创建一个具有可控磁通密度的强磁场。为此，应将两块强磁铁固定在机床主轴两侧所需的位置。在这个结构中，每个磁铁在环境中产生一个磁场。磁体之间的距离越近，磁体产生的磁通量密度就越强。磁体产生的磁通密度可以用理论方程来计算。此外，还可以采用机上测量技术测量切削区域的平均磁通密度。在提出的磁场辅助SPDT平台中，使用了两块磁体。gydF4y2Ba图2gydF4y2B一个说明两个磁极相反的磁体之间的平均磁通量密度。然而，磁体之间的平均磁通密度将会下降，并且磁体表面之间的整个区域的磁通密度将不均匀。然而，沿其中心轴的磁场很容易预测、计算和测量。每个磁体在磁体之间x位置所产生的磁通量密度，表示在gydF4y2B一个图2gydF4y2B一个，可以用gydF4y2B一个情商。gydF4y2B一个(2021年,gydF4y2B一个Hatefi 2021gydF4y2B一个)：gydF4y2B一个

在那里,gydF4y2B一个BgydF4y2B一个磁通密度是在远处产生的吗gydF4y2B一个XgydF4y2B一个，gydF4y2B一个XgydF4y2B一个到磁铁的距离，和gydF4y2B一个BgydF4y2B一个_{rgydF4y2B一个}是磁铁的剩磁。gydF4y2B一个lgydF4y2B一个，gydF4y2B一个DgydF4y2B一个,gydF4y2B一个WgydF4y2B一个是磁铁的尺寸。如gydF4y2B一个图2gydF4y2B一个，当两块磁体的相反极相对时，磁体之间产生的磁通密度等于每个磁体在所需点产生的磁通密度之和。gydF4y2B一个

施加磁场对钻石切割机制有两个主要影响。第一个效应是在工件材料内部产生涡流。产生的涡流产生了一个与现有磁场方向相反的磁场。磁场之间的相互作用导致产生抵抗磁场当前状态变化的电阻力。洛伦兹力作为一个粘性阻尼器系统，并创造了一个阻尼力，可以抑制不必要的被动振动，同时将振动的动能消散为热量(gydF4y2B一个Sodano和Bae, 2004年gydF4y2B一个)．这种效应可以提高SPDT加工过程中的金刚石切削稳定性，同时降低车削系统的被动振动幅度。高斯定律是麦克斯韦方程之一，它可以描述存在的磁场。gydF4y2B一个情商。gydF4y2B一个给出了高斯定律的微分形式(gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)：gydF4y2B一个

在那里,gydF4y2B一个∇gydF4y2B一个是微分向量算子，gydF4y2B一个EgydF4y2B一个是电场矢量，gydF4y2B一个ρgydF4y2B一个是单位体积电荷(体积电荷密度)，和gydF4y2B一个εgydF4y2B一个_{0gydF4y2B一个}是自由空间的电介电常数。gydF4y2B一个

根据洛伦兹定律，在gydF4y2B一个情商。gydF4y2B一个，当导电材料在磁场中运动/旋转时，由于静磁场的变化，工件内部会产生涡流。涡流会产生与外加磁场方向相反的磁场。因此，这两个磁场之间的相互作用对现有通量的变化产生了排斥力，称为洛伦兹力(gydF4y2B一个Sodano和Bae, 2004年gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Ebrahimi等人，2010gydF4y2B一个)．安培力定律描述了所产生的洛伦兹力，如gydF4y2B一个情商。gydF4y2B一个（gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)：gydF4y2B一个

在那里,gydF4y2B一个FgydF4y2B一个为洛伦兹力，gydF4y2B一个EgydF4y2B一个是电场，gydF4y2B一个问gydF4y2B一个是电荷，和gydF4y2B一个已经gydF4y2B一个导体(工件)的速度是移动/旋转，和gydF4y2B一个BgydF4y2B一个是磁场矢量。在这种情况下，被动振动的动能被阻尼，同时从涡流阻尼效应耗散能量。在此条件下，所产生的阻尼效应可由gydF4y2B一个Eq。4gydF4y2B一个（gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)：gydF4y2B一个

在那里,gydF4y2B一个FgydF4y2B一个_{阻尼gydF4y2B一个}所产生的阻尼力，和gydF4y2B一个CgydF4y2B一个_{艾迪gydF4y2B一个}而且gydF4y2B一个CgydF4y2B一个_{ttgydF4y2B一个}为涡流阻尼器的阻尼系数。gydF4y2B一个

工件材料的导热性增强是可以显著改善SPDT工艺结果的第二个效应。提高材料的导热性可以降低切削温度，提高表面光洁度。对于具有正向顺磁特性的铁磁和顺磁材料，在SPDT过程中施加磁场会对材料中粒子之间的相互作用产生正向影响。在纯机械SPDT工艺中，由于范德华力以及偶极子-偶极子相互作用，工件材料中的顺磁粒子会相互附着，从而降低工件材料的热导率。钛合金的磁化率为14.6 ppm，磁场对钛合金的材料性能有积极的影响。在外部磁场的存在下，这些顺磁粒子，称为偶极动量，倾向于与外部施加磁场的方向对齐，这将显著减少偶极子-偶极子相互作用(gydF4y2B一个拉瓦迪等人，2010年gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Nkurikiyimfura等，2013gydF4y2B一个)．gydF4y2B一个情商。gydF4y2B一个显示工件材料内顺磁粒子之间的能量(gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)：gydF4y2B一个

在那里,gydF4y2B一个UgydF4y2B一个_{dgydF4y2B一个}粒子之间的能量是多少gydF4y2B一个我gydF4y2B一个而且gydF4y2B一个jgydF4y2B一个，gydF4y2B一个rgydF4y2B一个顺磁粒子之间的距离是I和吗gydF4y2B一个jgydF4y2B一个,gydF4y2B一个米gydF4y2B一个_{pgydF4y2B一个}粒子的质量是多少gydF4y2B一个我gydF4y2B一个而且gydF4y2B一个jgydF4y2B一个．此外，粒子i和j之间的耦合常数可以用gydF4y2B一个情商。gydF4y2B一个（gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)：gydF4y2B一个

在那里,gydF4y2B一个lgydF4y2B一个_{pgydF4y2B一个}粒子对是常数吗gydF4y2B一个我gydF4y2B一个而且gydF4y2B一个jgydF4y2B一个，gydF4y2B一个KgydF4y2B一个_{BgydF4y2B一个}为布朗常数，和gydF4y2B一个TgydF4y2B一个_{pgydF4y2B一个}是温度。顺磁颗粒在工件材料中随机定向，并遵循L < 1时的布朗运动，其中，通过施加磁场，L的量增加。当外加磁场存在时，工件材料的偶极子-偶极子相互作用明显减弱，顺磁粒子能与外加磁场对齐。因此，颗粒的线性结构(线性链)的数量增加，因此，工件材料的热导率增加。提高热导率可降低切削温度，提高表面光洁度(gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)．gydF4y2B一个

2.2磁场辅助SPDT平台的开发gydF4y2B一个

在实验研究中，使用Precitech Nanoform 250 ultragind机床进行超精密SPDT实验。从铝材料出发，研制了一种刚性可调机械结构。在金刚石车削过程中，所开发的结构可以精确地设置和固定磁体的位置，以及切割区域的磁场强度。在磁场辅助系列实验研究中，将所研制的机构安装在机床上，实现了磁场辅助的SPDT平台。在所研制的机构中，在机械结构上安装了两块尺寸为50*50* 25mm的钕型MRERE673稀土矩形磁体。磁体之间的距离设置为切割区域周围的平均磁通量密度为0.045 T。gydF4y2B一个图3gydF4y2B一个介绍了研制的安装在SPDT机床上的可调机械结构。利用该机制，实现了一个非常规磁场辅助SPDT平台，该平台可以在切削区周围施加0.045 T的磁场。gydF4y2B一个

2.3实验研究gydF4y2B一个

在实验研究中，采用直径为25 mm，长度为50 mm的圆柱形Ti-6Al-4V工件。配置了Precitech Nanoform 250 ultragind机床，设置了加工参数，并安装了金刚石刀具。利用机内显微镜确定金刚石刀具的位置和金刚石刀具的切削刃。实验中使用的金刚石刀具编号为50mNGi，前倾角为0°。文中给出了金刚石刀具的几何参数和Ti-6Al-4V工件的组成gydF4y2B一个表1gydF4y2B一个．金刚石车削试验样品为直径25 mm、高度50 mm的Ti-6Al-4V棒材。金刚石工具在机床上的安装和金刚石工具的前角在机床上的设置说明在gydF4y2B一个图4gydF4y2B一个．在实验过程中，采用不同的加工条件，比较加工样品的结果，包括产生的表面粗糙度，并发现施加0.045 T强磁场对表面光洁度质量的影响。gydF4y2B一个图5gydF4y2B一个介绍了实验中使用的非磁性纯机械和磁场辅助SPDT平台的实验台架。gydF4y2B一个

此外，在实验研究过程中，通过改变切削速度和进给速度等切削参数来评估不同加工条件下磁场辅助对光学表面光洁度的影响。在整个切削过程中，4 μ m的切削深度保持不变，以避免尺寸效应和高切削温度。先前的研究结果表明，进给量为4 - 8 mm/min和切深为4µm是实现最佳表面光面质量的最佳值(gydF4y2B一个Gopal和Rao, 2003gydF4y2B一个；gydF4y2B一个撒丁等人，2006年gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Yanda等，2010gydF4y2B一个；gydF4y2B一个叶奕峰，2018gydF4y2B一个；gydF4y2B一个叶伟强和杜琪峰，2019cgydF4y2B一个)．在确定最佳切削速度后，研究了在最佳切削速度下增加进给量对表面粗糙度的影响。为此，在所有试验组中，在最佳切削速度下，以8 mm/min的进给速度进行重复加工试验。gydF4y2B一个

加工实验分为四组，如gydF4y2B一个表2gydF4y2B一个．在第一个加工系列(S.1)中，工件在无磁干切削条件下使用空气冷却剂进行切割。在实验的第二个系列(S.2)中，用煤油在非磁性湿切条件下切割工件。随后，将机械结构和磁体安装在机床上，用于执行磁场辅助加工系列(S.3)和(S.4)。在第三个加工系列(S.3)中，使用磁场辅助SPDT平台在干切削条件下使用空气冷却剂切割工件。在最后一个加工系列(S.4)中，使用磁场辅助SPDT平台在煤油湿切削条件下切割工件。每组加工试验重复两次。在每个加工过程后，采用直接测量技术，使用Form Talysurf PGI尺寸机和Taylor Hobson轮廓仪测量表面高度与平均轮廓线的平均偏差，得到平均粗糙度Ra值。该光学轮廓仪是一种表面轮廓仪，可在中空和高大的非球面透镜以及模块中精确测量3D形状，具有50 nm的重复性和优于0.1 μ m的形状测量能力。在表面测量中，在金刚石车削样品表面选择了4个特定的位置测量平均表面粗糙度。 The measurement was conducted three times on the locations. The average surface roughness measured in each machining test is presented in表2gydF4y2B一个．gydF4y2B一个

3的结果gydF4y2B一个

文中给出了切削条件和加工实验中产生的平均表面粗糙度gydF4y2B一个表2gydF4y2B一个．在实验中，当切削速度从750转/分到3000转/分时，进给量为4毫米/分，切削深度为4微米保持不变。结果表明，1500 (rpm)的切削速度是Ti-6Al-4V合金SPDT的最佳切削速度。gydF4y2B一个图6gydF4y2B一个说明了使用获得的结果生成的图表，以说明磁场辅助、冷却剂和切割速度对表面光洁度质量的影响。可以看出，在所有加工条件下，在1500 rpm的切削速度下产生的表面粗糙度最小。随后，将进给量设置为8 mm/min，研究在最佳切削速度为1500 rpm时，进给量对表面光面质量的影响。gydF4y2B一个图7gydF4y2B一个举例说明在1500转/分的切削速度下，进给量对表面光洁度的影响。gydF4y2B一个

一般情况下，从得到的结果可以推断，切削参数和冷却剂对表面光洁度的质量有直接影响。此外，在所有加工条件下，SPDT过程中磁场辅助的应用都能显著提高表面光洁度的质量，最大限度地减少表面粗糙度的产生。gydF4y2B一个

3.1加工条件和切削参数对表面粗糙度的影响gydF4y2B一个

加工条件、冷却剂和切削参数直接影响表面光洁度的质量。为了实现表面光洁度的最佳质量，需要确定和使用最佳的加工参数和切割条件。在超精密加工中，切削参数，包括切削速度、进给量和切削深度，对表面光洁度的质量有直接影响。这些因素直接影响不同的表面生成机制，包括被动振动和切削温度，并可诱发金刚石刀具磨损。采用合适的加工因素，可改善切削条件，提高表面光洁度质量(gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2020bgydF4y2B一个；gydF4y2B一个Goel等人，2021年gydF4y2B一个)．在SPDT加工过程中，相对较低和较高的切削速度导致工件施加到金刚石刀具上的高冲击力。实验研究表明，在金刚石切割过程中，使用1500的切割速度是合适的(gydF4y2B一个叶奕峰，2018gydF4y2B一个)．这种效应可以从实验研究中得到的结果中看出，在所有加工系列中，最小表面粗糙度是在1500 rpm的切削速度下产生的。gydF4y2B一个

研究了在最佳切削速度为1500 rpm时各加工系列进给量对表面光面质量的影响。它可以在gydF4y2B一个图7gydF4y2B一个在所有加工条件下，提高进给量会对表面光洁度质量产生负面影响，并增加产生的平均表面粗糙度。与高进料相比，4毫米/分钟的进料速率是最佳速度。gydF4y2B一个

在S1加工系列中，采用带空气冷却剂的纯机械SPDT平台加工Ti-6Al-4V合金。可以看出，1500 rpm左右的切削速度是产生最佳表面光洁度质量的最佳切削速度。降低或提高切削速度会增加表面粗糙度。此外，提高切削速度会导致切削温度的升高，从而影响表面光洁度的质量。在S2加工系列中，采用煤油纯机械SPDT在湿法加工条件下切削Ti-6Al-4V合金。可以看出，煤油通过降低切削温度可以显著降低所产生的表面粗糙度，与实验的S1系列结果进行对比。然而，增加/减少切削速度对表面光洁度质量的影响在S.2中得到的结果中仍然很明显。一般来说，湿法加工可以降低切削温度，改善加工条件，从而提高表面光洁度的质量。在钻石切割过程中使用煤油的影响可以从S.1和S.2中所有加工试验的结果中看出。从S.1.3和S.2.3可以看出，在Ti-6Al-4V的非磁性SPDT中，在最佳切削速度为1500 rpm时，使用煤油可以使表面光面质量提高22.3%。gydF4y2Ba

3.2磁场辅助对表面光洁度的影响gydF4y2B一个

在本节中，将非磁性加工系列S.1和S.2系列所得结果与磁场辅助加工系列S.3和S.4所得结果进行比较。在此基础上，研究了磁场辅助SPDT加工条件对Ti-6Al-4V的影响，确定了最佳加工条件和切削参数。gydF4y2B一个图8gydF4y2B一个说明了磁场辅助在所有加工系列中对表面光洁度的影响gydF4y2B一个表2gydF4y2B一个．gydF4y2B一个

它可以在gydF4y2B一个图8gydF4y2B一个在干切削条件下的S.1和S.3加工系列的所有加工条件下，施加磁场均能减小产生的表面粗糙度。同样的结论也适用于S.2和S.4加工系列在湿法加工条件下的结果，磁场辅助SPDT系列可以显著改善表面光洁度的质量。可以看出，在S.1加工系列中，S1.3的表面光洁度质量最好，平均表面粗糙度为32.3 nm。在相同的加工条件下(S3.3)，在干式加工条件下，磁场辅助的应用可使表面光洁质量提高62.5%，平均表面粗糙度为12.1 nm。此外，可以看出，在S.2加工系列中，S2.3可以获得最好的表面光洁度质量，其平均表面粗糙度为25.1 nm。在相同的加工条件下(S4.3)，在湿法加工条件下，应用磁场辅助可使表面光洁度提高47%，平均表面粗糙度为13.3 nm。gydF4y2B一个

可以看出，与无磁加工系列S.1和S.2相比，施加磁场可以显著提高S.3和S.4加工系列的表面光洁度质量。此外，从S.3和S.4得到的结果可以看出，在磁场辅助SPDT过程中使用煤油可以通过降低切削温度来改善表面粗糙度。而在最佳切削速度为1500 rpm时，应用磁场辅助降低切削温度，可以消除使用煤油进行湿法加工的需要。结果表明，在磁场辅助下采用最佳切削参数，在干切削条件下表面粗糙度最小。gydF4y2B一个

3.2.1 Ti-6Al-4V磁场辅助SPDT的最佳切削条件gydF4y2B一个

优化切削参数对降低切削温度获得最小表面粗糙度起着重要作用。虽然冷却剂的应用对于降低切削温度和改善表面质量很重要，但在金刚石切削过程中，湿式加工的应用可能会引起刀尖相关的和刀具-工件的被动振动，从而导致表面粗糙度(gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2022年gydF4y2B一个)．在加工过程中，采用最佳切削条件和磁场辅助，可以消除使用煤油进行湿法加工的需要。磁场辅助在SPDT中的应用可以改善加工条件，消除煤油的使用，提高切削稳定性，提高工件材料的导热性，从而降低切削温度。gydF4y2B一个

图9gydF4y2B一个在干式和湿式加工条件下，采用4毫米/分钟和8毫米/分钟进给速度，在1500转/分的切削速度下，施加0.045 T的磁场对表面光洁度的影响。应用磁场辅助后，表面光洁度S3.3提高62.5%，S3.4提高64.9%，S4.3提高47%，S4.4提高51.5%。在S3.3中，Ti-6Al-4V合金在干切削条件下以1500 rpm的切削速度和4 mm/min的进给量进行切削，达到了最低的表面光洁度。实验测试结果表明，采用S3.3系列试验中优化的加工参数，可以获得表面粗糙度最小至12 nm的Ti-6Al-4V干式超精密SPDT。它可以在gydF4y2B一个图9gydF4y2B一个S3.3加工的表面质量最好，平均表面粗糙度为12.1 nm。gydF4y2B一个

4讨论gydF4y2B一个

Ti-6Al-4V的超精密SPDT加工性能较差，表面光洁度相对较低，特别是在干式加工条件下。钛合金是一种难切削、切削性能低的材料。采用超精密SPDT技术加工钛合金时，很难获得高质量的表面，表面粗糙度相对较低。在Ti-6Al-4V的超精密SPDT中，刀具磨损大，表面质量低，表面粗糙度在20-30 nm左右(gydF4y2B一个Khalil等人，2022年gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Lou和Wu, 2022年gydF4y2B一个)．钛合金导热系数低，在钛合金金刚石切削过程中产生的切削热由于切削区外散热低而被困在切削区。这种效果增加了切割温度，并对表面光洁度的质量产生负面影响(gydF4y2B一个Bordin et al.， 2015gydF4y2B一个)．预计切割温度将随着切割速度的增加而增加，同时降低光学表面质量(gydF4y2B一个Khalil等人，2022年gydF4y2B一个)．这种效应可以从实验测试的结果中看出。gydF4y2B一个

近年来，为了改善Ti-6Al-4V的表面光洁度和加工条件，在加工过程中采用了不同的非常规工艺。非常规液体和液体，包括丙二醇、碱性肥皂水和亚硝酸钠，是用于Ti-6Al-4V合金先进制造的一类溶液(gydF4y2B一个Mukhopadhyay等，2018gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Mukhopadhyay和昆都，2019年gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Mukhopadhyay和昆都，2021年gydF4y2B一个)．非常规加工技术，包括热加工、磁场辅助和氮冷等离子体射流，是另一类加工技术，用于钛合金加工过程中，以提高加工条件和表面光洁度方面的工艺结果(gydF4y2B一个Bordin et al.， 2017gydF4y2B一个；gydF4y2B一个Hatefi和阿布-艾尔-侯赛因，2020agydF4y2B一个；gydF4y2B一个Agrawal等人，2021年gydF4y2B一个)．在近年来钛合金先进制造的解决方案中，磁场辅助的应用被证明是一种适合钛合金可持续制造的解决方案。gydF4y2B一个

先前进行的实验研究结果表明，在切削区域周围施加磁场可以通过降低工件材料的材料导电性来降低机床和刀具相关的被动振动，并降低切削温度。gydF4y2B一个Yip, 2018gydF4y2B一个；gydF4y2B一个叶奕峰，2018gydF4y2B一个；gydF4y2B一个叶伟强和杜琪峰，2019bgydF4y2B一个)．通过改善这两个因素，可以改善切削条件和表面生成机制。这将导致产生的表面粗糙度的显著改善。在之前的研究中，磁场辅助SPDT平台已用于钛合金的超精密制造。在进行的实验研究中，使用了强磁场，磁通密度为0.01 T和0.02 T。研究结果表明，在切割区周围施加磁场可以显著提高光学表面光洁度。此外，实验测试结果表明，外加磁场强度与光学表面光洁度之间存在相关性。研究表明，增加外加磁场强度可以积极改善切割条件，提高光学表面生成质量。Ti-6Al-4V合金在磁场辅助下SPDT产生的平均表面粗糙度在10 ~ 20 nm之间。本文介绍了利用磁场辅助进行钛合金超精密SPDT的实验研究结果gydF4y2Ba表3gydF4y2B一个．gydF4y2B一个图10gydF4y2B一个将Ti-6Al-4V的超精密SPDT结果与产生的平均表面粗糙度进行了比较。gydF4y2B一个

在本实验研究中，通过使用更强的磁场，在切割区平均磁通密度为0.045 T，提高了光学表面光洁度的质量。实验研究结果表明，在0.045 T的磁场作用下，光学表面光洁度的质量和加工条件都能得到改善。在S.3.3和S3.4加工系列中可以看到，在相似的切削条件下，采用8 mm/min进给速度可以产生14.5 nm的平均表面粗糙度，采用4 mm/min进给速度可以产生12.1 nm的平均表面粗糙度。实验研究结果表明，在干式加工条件下，采用最佳切削条件和0.045 T的磁场可以提高加工表面的质量。gydF4y2B一个

5的结论gydF4y2B一个

非常规加工技术在超精密SPDT技术中的应用正在兴起。这些技术在提高光学表面光洁度的同时，对光学表面生成机理产生了积极的影响。磁场辅助是一种低成本和无源元件的非接触式解决方案。该技术在改善加工条件和光学表面产生机理方面取得了良好的效果。该技术可以通过抑制被动振动来降低切削温度，提高金刚石的切削稳定性。施加磁场对光学表面产生机制没有破坏性影响。磁场辅助可以显著提高钛合金的切削加工性，不需要先进的设备和额外的能源。实验研究结果表明，在干切削条件下，磁场辅助的应用可使表面光洁度提高62.5%。因此，使用该技术可以消除冷却剂/润滑溶液的需求，并减少在SPDT过程中使用切削液/润滑剂的环境问题。磁场辅助的应用可以提高钛合金超精密SPDT的可持续性。gydF4y2Ba

在未来的研究中，磁辅助可作为混合SPDT平台的辅助技术之一。该技术可以弥补主动振动和热加工技术带来的负面影响，是未来混合SPDT技术的理想解决方案。此外，还需要进行更多的研究，以充分了解外加磁场强度、切削条件和表面生成机制之间的相关性。gydF4y2B一个Supermagnete 2021gydF4y2B一个．gydF4y2B一个

数据可用性声明gydF4y2B一个

本研究中提出的原始贡献已包含在文章/补充材料中，进一步查询可向通讯作者咨询。gydF4y2B一个

作者的贡献gydF4y2B一个

概念化,SH;方法论，SH, KA-E-H;机构制造，SH;数据生成和分析，SH和KA-E-H;撰写初稿，SH;最终审稿和编辑，SH和KA-E-H;所有作者均已阅读并同意该手稿的出版版本。gydF4y2Ba

致谢gydF4y2B一个

作者要感谢纳尔逊·曼德拉大学研究发展中心对这项研究的支持。gydF4y2B一个

利益冲突gydF4y2B一个

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。gydF4y2B一个

出版商的注意gydF4y2B一个

本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。gydF4y2B一个

参考文献gydF4y2B一个