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超声振动磨削氧化锆陶瓷表面损伤模型的实验研究

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工具技术 2022年第6期56卷 52-56页

作者：尤佳旗黄久超丁霖上海航天精密机械研究所上海市201600

以压痕断裂力学模型和硬脆材料去除机理为理论基础,对氧化锆陶瓷的表面损伤进行研究,结合砂轮特征及磨削力公式建立了普通磨削和超声振动磨削的横向裂纹和表面破碎率模型,并对实验所得材料表面进行图像处理。结果表明:横向裂纹和表面破... 详细信息

以压痕断裂力学模型和硬脆材料去除机理为理论基础,对氧化锆陶瓷的表面损伤进行研究,结合砂轮特征及磨削力公式建立了普通磨削和超声振动磨削的横向裂纹和表面破碎率模型,并对实验所得材料表面进行图像处理。结果表明:横向裂纹和表面破碎率随着磨削深度增大而增大,与普通磨削相比,超声振动磨削降低了45%裂纹长度,降低了23%表面破碎率,具有更完整的表面形貌特征。

关键词：超声振动磨削横向裂纹表面破碎率

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超声振动磨削CFRP温度场的有限元仿真

机械科学与技术 2020年第6期39卷 821-828页

作者：刘军范宝朋陈燕梁宇红中国商飞上海飞机制造有限公司上海201325 南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室南京210016

超声振动磨削时的高温易导致碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的热损伤,为了分析超声振动磨削CFRP过程中的温度问题,借助有限元的方法对声振动磨削CFRP温度场进行了仿真。首先利用半人工热电偶在线测量了磨削温度,通过试验与仿真相结合... 详细信息

超声振动磨削时的高温易导致碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的热损伤,为了分析超声振动磨削CFRP过程中的温度问题,借助有限元的方法对声振动磨削CFRP温度场进行了仿真。首先利用半人工热电偶在线测量了磨削温度,通过试验与仿真相结合的方法研究了传入0、45°、90°和135°纤维取向的单向CFRP中的热分配比。随后,根据超声振动磨削各单向CFRP的热分配比,建立了超声振动磨削多向CFRP磨削温度场仿真模型。最后,通过超声振动磨削试验对有限元模型的有效性进行了验证。

关键词：超声振动磨削碳纤维增强树脂基复合材料温度场热分配比有限元仿真

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大负载超声振动磨削系统的设计

声学学报 2022年第1期47卷 85-94页

作者：李艳琴赵波向道辉高国富焦锋王梦雷小飞河南理工大学机械学院焦作454000

设计了一种大负载超声振动磨削系统,超声系统由换能器、圆柱圆锥形变幅杆和轮辐式砂轮组成。首先将轮辐式砂轮等效成轮毂为圆柱杆、辐板与轮缘为中厚板的复合模型,利用各接触面边界连续的条件推导系统的频率方程,完成了超声磨削系统的设... 详细信息

设计了一种大负载超声振动磨削系统,超声系统由换能器、圆柱圆锥形变幅杆和轮辐式砂轮组成。首先将轮辐式砂轮等效成轮毂为圆柱杆、辐板与轮缘为中厚板的复合模型,利用各接触面边界连续的条件推导系统的频率方程,完成了超声磨削系统的设计,制作了实验装置并分析验证了其声学振动特性。实验结果表明:利用轮辐式砂轮复合模型求解系统频率方程,在解决大负载超声振动磨削系统设计难题上的有效性。该超声系统结构简单,声学振动特性稳定,可输出均匀的位移振幅,有望在大负载的超声磨削领域获得应用。

关键词：超声振动磨削超声磨削圆锥形变幅杆超声系统频率方程声学振动复合模型中厚板

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超声振动磨削CFRP温度场仿真及试验研究

超声振动磨削CFRP温度场仿真及试验研究

作者：范宝朋南京航空航天大学

学位级别：硕士

碳纤维树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,简称CFRP)具有较高的比强度、比刚度及比模量等优异的特性,被广泛应用在航空航天、运载火箭、飞机等高科技领域。近年来,碳纤维复合材料在全球产业内的应用越来越多,加工需求量... 详细信息

碳纤维树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,简称CFRP)具有较高的比强度、比刚度及比模量等优异的特性,被广泛应用在航空航天、运载火箭、飞机等高科技领域。近年来,碳纤维复合材料在全球产业内的应用越来越多,加工需求量也越来越多。由于其具有各向异性以及导热率低,给加工过程带来困难;尤其是磨削过程中的热,会影响刀具耐用度以及工件质量,并且加工过程中的热量难以测量,因此本课题开展了对磨削过程中的热进行理论与试验研究,主要内容包括:(1)采用钎焊金刚石刀具进行了超声振动磨削单向CFRP层合板的试验研究,测量了磨削温度与磨削力,建立了磨削各单向CFRP层合板磨削力的经验公式。试验结果表明超声振动磨削0°、45°、90°135°纤维取向的单向CFRP层合板的磨削力与磨削温度不同,其中磨削0°方向上的磨削温度比其他纤维取向的单向层合板小5-52℃。(2)建立碳纤维与树脂分开的两相模型,研究了超声振动磨削单向CFRP层合板的温度场的分布情况,仿真结果表明由于碳纤维与树脂的材料特性不同,树脂的导热系数较小,导致树脂的温度比碳纤维的温度大,温度场方向沿着碳纤维轴向扩展。基于仿真模型研究了超声振动磨削单向CFRP层合板时传入工件的热分配比,建立了超声振动磨削单向CFRP层合板的热分配比模型,发现传入工件的热分配比在5%以下。(3)基于力学线性叠加方法,建立了包含组成多向CFRP层合板的各单向CFRP层合板厚度以及层合作用的超声振动磨削多向CFRP层合板切向磨削力模型;基于超声振动磨削各单向CFRP层合板时传入工件的热分配比,建立了磨削超声振动磨削多向CFRP层合板的磨削温度场仿真。通过试验验证,所建立的超声振动磨削多向CFRP层合板的磨削力模型以及磨削温度场仿真模型精度在80%以上,能够较准确预测出磨削力与温度。

关键词： CFRP 钎焊金刚石刀具超声振动磨削磨削温度有限元仿真

超声振动磨削淬硬齿轮钢残余应力和硬化层的理论与试验研究

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超声振动磨削淬硬齿轮钢残余应力和硬化层的理论与试验研究

作者：刘中云河南理工大学

学位级别：硕士

齿轮是传递运动和动力的传动系统核心关键零件,目前,高速运载、航空航天、新能源等高端装备的高速发展对传动齿轮的需求越来越大,对其服役性能和疲劳寿命也提出了很高甚至是苛刻的要求。齿轮表面的残余应力和硬化层质量是抗疲劳寿命的... 详细信息

齿轮是传递运动和动力的传动系统核心关键零件,目前,高速运载、航空航天、新能源等高端装备的高速发展对传动齿轮的需求越来越大,对其服役性能和疲劳寿命也提出了很高甚至是苛刻的要求。齿轮表面的残余应力和硬化层质量是抗疲劳寿命的重要指标,如何通过加工工艺的改进达到理想的残余应力和硬化层质量是近期的研究热点之一。超声振动辅助加工下刀具具有瞬间高能集中,高频振动冲击作用和独特的切削机理,对于残余应力和硬化层的主动控制具有明显的作用。因此,对淬硬42CrMo齿轮钢在超声振动磨削下热-力耦合作用表面残余应力与硬化层的形成机理进行试验研究,最终为高性能齿轮的抗疲劳制造提供一种高效可控的加工方法。本文的研究内容和成果如下:（1）通过理论分析,分析超声振动磨削加工过程中磨粒的运动轨迹特征和磨粒的磨削机理,建立了超声振动磨削力数学模型,并利用ABAQUS有限元仿真软件对超声振动磨削条件下磨削温度场进行仿真,利用研制的轴向超声振动试验平台进行试验验证。研究表明:超声振动磨削改变了材料去除机理和散热方式,相对于传统磨削,磨削力在超声振动磨削中最高降低了38%左右,磨削温度也有所降低,验证了理论分析的正确性。（2）基于热-力耦合作用,在ABAQUS有限元仿真软件中建立淬硬齿轮钢超声振动磨削三维仿真模型,实现了超声振动磨削加工残余应力的模拟分析,并进行试验验证,分析对比了在超声振动和传统磨削条件下不同磨削参数对残余应力的影响规律。研究表明:试件表面呈现残余压应力,并且超声振动加工有助于残余压应力的产生,整体提高了14%-45%左右,仿真结果与试验结果吻合较好,验证了试验的可靠性。（3）研究了试件硬化层的表面微观形貌、表面显微硬度、表面粗糙度等表征。研究表明:由于超声振动加工改变了磨削加工材料的去除机理,试件表面微观形貌优于传统磨削,并且超声振动磨削抑制了微裂纹产生,超声振动磨削下硬化层表面的显微硬度高于传统磨削的表面硬度,超声振动磨削试件表面粗糙度也明显降低。因此,超声振动磨削试件硬化层的质量优于传统磨削加工。

关键词：超声振动磨削磨削力磨削温度数值模拟残余应力硬化层

超声振动磨削SiCp/Al复合材料去除机制与加工表面形貌研究

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超声振动磨削SiCp/Al复合材料去除机制与加工表面形貌研究

作者：叶鹏哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

SiCp/Al复合材料具有比模量大、比强度高以及良好的韧性等优异的力学性质,被认为是一种非常有前景的金属基复合材料,但是由于材料中SiC颗粒的存在使其加工性能变差,从而限制了SiCp/Al复合材料的应用范围。超声振动磨削作为一种高效精密... 详细信息

SiCp/Al复合材料具有比模量大、比强度高以及良好的韧性等优异的力学性质,被认为是一种非常有前景的金属基复合材料,但是由于材料中SiC颗粒的存在使其加工性能变差,从而限制了SiCp/Al复合材料的应用范围。超声振动磨削作为一种高效精密加工技术,为解决SiCp/Al复合材料的加工经济性问题提供了一条途径。因此开展超声振动磨削SiCp/Al复合材料的去除机制与表面形貌的研究,对实现该材料的精密加工与推动该材料的广泛应用具有重要意义。SiCp/Al复合材料的力学性质是影响其加工性能的关键因素。本文基于纳米压痕实验研究了SiCp/Al复合材料的微观变形行为,分别得到了复合材料中Al基体部位和SiC颗粒部位的杨氏模量与显微硬度,并以此为基础获得了增强相颗粒塑性去除的临界切深。通过分析磨粒与工件的接触条件,并结合划痕实验研究了超声振动下材料去除的特点。实验结果表明:超声振动有助于减小划痕力、降低金刚石压头与工件之间的摩擦系数,提高划痕表面质量。切屑和加工表面缺陷形成机制的研究是探索提高加工表面质量技术措施的基础。本文利用Abaqus/Explicit有限元软件建立了微观多相材料的单颗磨粒的磨削模型,通过仿真分析了切屑的形成机制、SiC颗粒的破碎机制以及表面缺陷的形成机制。在此基础上,进一步仿真分析了超声振动对材料去除的影响,结果表明,超声振动有利于磨屑的排出、减少SiC颗粒的拔出。加工表面形貌对零件的使用性能有显著影响,是反映已加工表面质量的重要指标。本文采用功率谱密度分析方法对不同加工参数下SiCp/Al复合材料超声振动磨削表面的空间波长特征进行了分析;通过单因素实验和正交实验分析了加工参数对表面粗糙度Ra与Sm的影响规律和影响程度。实验结果表明:主轴转速对表面形貌影响最大,提高主轴转速可以减小加工表面主导波长,降低表面粗糙度值。基于实验数据,建立了以Ra和Sm值为目标的优化模型,并利用粒子群优化算法对加工参数进行了优化;研究结果为SiCp/Al复合材料超声振动精密磨削加工工艺参数的选择提供了依据。

关键词：超声振动磨削 SiCp/Al复合材料去除机制有限元仿真表面形貌

小直径砂轮超声振动磨削SiC陶瓷的表面质量研究

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金刚石与磨料磨具工程 2020年第2期40卷 67-77页

作者：许陆昕李华蔡晓童周培祥陈艺文吴加富苏州科技大学机械工程学院江苏苏州215000 苏州市精密与高效加工技术重点实验室江苏苏州215000 苏州富强科技有限公司江苏苏州215000

用小直径砂轮超声振动磨削和普通磨削加工SiC陶瓷零件,对比研究砂轮线速度、工件进给速度、磨削深度和超声振幅对其磨削表面质量的影响。结果表明:与普通磨削相比,超声振动磨削的磨粒轨迹相互交叉叠加,工件表面形貌更均匀,表面质量更好... 详细信息

用小直径砂轮超声振动磨削和普通磨削加工SiC陶瓷零件,对比研究砂轮线速度、工件进给速度、磨削深度和超声振幅对其磨削表面质量的影响。结果表明:与普通磨削相比,超声振动磨削的磨粒轨迹相互交叉叠加,工件表面形貌更均匀,表面质量更好。由于超声振动时的磨粒划痕交叉会使磨粒产生空切削,因而降低了其磨削力,使磨削过程更加稳定。超声振动磨削的表面粗糙度和磨削力随砂轮线速度和超声振幅的增加而降低,随工件进给速度和磨削深度的减小而降低。且砂轮线速度、工件进给速度较小时,超声振动磨削的效果更明显。

关键词：碳化硅陶瓷超声振动磨削表面形貌表面粗糙度磨削力

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超声振动磨削铝基碳化硅材料表面质量的研究

超声振动磨削铝基碳化硅材料表面质量的研究

TiBw网状增强钛基复合材料超声振动磨削表面粗糙度研究

第16届全国特种加工学术会议

作者：周直昆向道辉赵波高国富焦锋河南理工大学机械与动力工程学院

通过对超声振动磨削铝基碳化硅材料和普通磨削进行对比试验研究,重点分析了有无超声对工件表面质量的影响规律。具体对在上述两种不同磨削形式下,相同磨削参数对工件表面质量的影响进行了研究,通过实验得到采用普通磨削加工铝基碳化硅... 详细信息

通过对超声振动磨削铝基碳化硅材料和普通磨削进行对比试验研究,重点分析了有无超声对工件表面质量的影响规律。具体对在上述两种不同磨削形式下,相同磨削参数对工件表面质量的影响进行了研究,通过实验得到采用普通磨削加工铝基碳化硅材料的表面质量要优于超声磨削;通过对磨削后砂轮表面形貌的观察,从一定角度解释了造成该影响的原因;同时还引入了砂轮磨损和砂轮堵塞对工件表面质量的综合影响。

关键词：超声振动磨削铝基碳化硅砂轮磨损砂轮堵塞表面质量

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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TiBw网状增强钛基复合材料超声振动磨削表面粗糙度研究

作者：王磊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

钛基复合材料有着高比强度、高比模量、高断裂韧性、低热膨胀系数、耐老化性,同时具有良好的高温性能,在航空航天等领域有着广泛的应用前景。拥有良好性能的同时该材料也将钛合金导热系数低、弹性模量低、高温化学活性大、与其他金属材... 详细信息

钛基复合材料有着高比强度、高比模量、高断裂韧性、低热膨胀系数、耐老化性,同时具有良好的高温性能,在航空航天等领域有着广泛的应用前景。拥有良好性能的同时该材料也将钛合金导热系数低、弹性模量低、高温化学活性大、与其他金属材料摩擦系数大等特点以及Ti C、Ti B等增强相颗粒或晶须高硬度的特点结合起来。这使材料可加工性能差,阻碍了材料的应用。超声振动磨削技术将普通磨削与超声振动结合起来,改变了材料的去除过程,具有减少刀具磨损、减小磨削力、改善加工表面质量等优势。开展超声振动磨削钛基复合材料的研究对于扩大钛基复合材料的应用范围具有重要意义。Ti Bw网状增强钛基复合材料是钛基复合材料的一种,其由TA15钛合金基体和Ti B晶须网状增强相组成,本文针对这种材料开展超声振动磨削研究。为研究超声振动磨削后的材料表面三维形貌,建立了砂轮表面磨粒分布模型并以超声振动磨削的磨粒运动学模型为基础,建立了超声振动磨削过程的磨粒切削轨迹方程。设计搜索—替换方法建立了超声振动磨削三维形貌模型,通过分析Ti Bw网状增强钛基复合材料磨削表面的晶须分布特点建立了加工表面高度修正矩阵,得到了超声振动磨削Ti Bw网状增强钛基复合材料的三维形貌预测模型,并用实验验证了模型能较好地预测加工表面的形貌。磨削力是衡量加工过程的重要因素。以超声振动磨削单磨粒切削力为切入点,建立了单磨粒超声振动磨削Ti Bw网状增强钛基复合材料的法向磨削力模型,考虑多磨粒共同作用得到了超声振动磨削的法向力模型。考虑加工参数对模型的影响,通过超声振动磨削正交实验完善了法向磨削力模型。通过单因素实验验证了磨削力模型,为加工过程稳定性的判断以及选择合理的加工参数提供了参考。通过对比普通磨削表面与超声振动磨削表面,发现利用超声振动磨削能够在保证表面粗糙度变化不大的情况下提高Ti Bw网状钛基复合材料加工过程的稳定性。通过单因素超声振动磨削实验获得了超声振动磨削钛基复合材料表面粗糙度随加工参数的变化特点,发现表面粗糙度随加工参数的改变而上下波动。对超声振动磨削过程中磨粒的振动与切削参数关系进行了分析,解释了加工过程中表面粗糙度变化的原因。对加工表面典型特征进行了分析,为超声振动磨削Ti Bw网状增强钛基复合材料工艺参数的选择提供了参考。

关键词：超声振动磨削三维形貌模型表面粗糙度钛基复合材料