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超声振动切削表面织构摩擦性能研究

工具技术 2022年第8期56卷 101-105页

作者：曹腾马文娟袁静曹永南京航空航天大学航空学院枣庄市科技信息研究所

利用超声振动辅助切削在零件表面制备织构,通过流体润滑摩擦实验对表面织构的摩擦性能进行测试,分析了织构参数对摩擦性能的影响,并对光滑表面与织构表面进行摩擦系数对比。结果显示,织构单元的长度、长宽比以及面积越大,摩擦系数越小,... 详细信息

利用超声振动辅助切削在零件表面制备织构,通过流体润滑摩擦实验对表面织构的摩擦性能进行测试,分析了织构参数对摩擦性能的影响,并对光滑表面与织构表面进行摩擦系数对比。结果显示,织构单元的长度、长宽比以及面积越大,摩擦系数越小,并且长度对摩擦系数的贡献率为63.74%。相同实验条件下,织构表面的摩擦性能较光滑表面可以提升34.3%。

关键词：超声振动辅助切削表面织构摩擦性能长宽比

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超声振动辅助加工陶瓷生坯低损伤机理研究

超声振动辅助加工陶瓷生坯低损伤机理研究

作者：朱琦苏州大学

学位级别：硕士

膝关节病日趋严重,人工膝关节(TKA)置换手术成为矫正变形和改善关节功能的主要途径之一。陶瓷材料被广泛的应用于人工膝关节置换手术,然而由于工程陶瓷优异的物理力学性能,使其加工变得极其困难,因此,为了克服这一现状,本文引进了陶瓷... 详细信息

膝关节病日趋严重,人工膝关节(TKA)置换手术成为矫正变形和改善关节功能的主要途径之一。陶瓷材料被广泛的应用于人工膝关节置换手术,然而由于工程陶瓷优异的物理力学性能,使其加工变得极其困难,因此,为了克服这一现状,本文引进了陶瓷生坯的加工技术,针对陶瓷生坯在加工过程中产生的表面损伤进行了系统性的研究。本文采用超细氧化锆陶瓷粉末作为原材料,使用冷等静压成型技术制备氧化锆陶瓷生坯。通过测试氧化锆陶瓷生坯的物理力学性能,选取适合加工的冷等静压成型工艺参数。基于陶瓷生坯材料去除机制,建立陶瓷生坯切削机理模型并进行试验验证,得到了切削机理模型与加工表面损伤之间的联系。利用离散元法通过单因素试验,探究不同加工参数和刀具角度对氧化锆陶瓷生坯加工表面损伤的影响规律。为了减少陶瓷生坯加工中的表面损伤,利用超声振动辅助切削氧化锆陶瓷生坯,研究超声振动辅助加工氧化锆陶瓷生坯低损伤机理。主要研究内容如下:首先,运用冷等静压成型技术制备不同成型工艺参数的氧化锆陶瓷生坯,通过分析氧化锆陶瓷生坯的物理力学性能,确定了符合切削加工要求的冷等静压成型工艺参数:升压阶段150 MPa,保压时间20 s,卸压速度2.5 MPa/s,使用此参数制备出来的氧化锆陶瓷生坯的物理力学性能为:密度3.08 g/cm3,硬度5.52 HV,弯曲强度2.04 MPa,压缩强度8.4 MPa,弹性模量465 MPa。其次,基于陶瓷生坯材料的去除机制,建立了氧化锆陶瓷生坯切削机理模型。通过氧化锆陶瓷生坯切削试验,得到不同切削深度下的切向力大小,将其与切削机理模型计算结果进行对比。验证了所建立的氧化锆陶瓷生坯切削机理模型的正确性,并得到了切削机理模型与表面损伤之间的联系。再次,利用离散元软件PFC2D建立氧化锆陶瓷生坯BPM模型,通过三点弯曲试验和单轴压缩试验对建立的BPM模型进行校准,得到了与氧化锆陶瓷生坯宏观物理力学性能相吻合的BPM模型。基于校准后的BPM模型建立了氧化锆陶瓷生坯切削BPM模型,通过单因素试验研究不同切削参数和刀具角度对切削氧化锆陶瓷生坯表面损伤的影响规律,结果表明:较小的切削深度、切削速度、刀具后角能够改善陶瓷生坯切削表面形貌,刀具前角对表面形貌的影响较大,较大的正前角所造成的表面损伤最小;较小的切削深度、切削速度、刀具后角能够获得更少的残余裂纹、更小的切削力和残余应力,较大的正前角残余裂纹少、切削力小、残余应力小;切削深度对切削力的影响较大,具有不确定性;刀具后角对残余应力的分布影响较大。进行氧化锆陶瓷生坯切削试验,验证了仿真模型的正确性。最后,利用超声振动辅助切削氧化锆陶瓷生坯试验,分析不同切削参数对氧化锆陶瓷生坯表面损伤的影响规律,研究超声振动辅助加工陶瓷生坯的低损伤机理。结果表明:超声振动辅助切削有助于减少氧化锆陶瓷生坯加工过程中所产生的表面损伤,有助于减少切削力,减少表面硬化层厚度。通过对超声振动降低表面损伤和减小刀具磨损方面的研究,分析得到了超声振动辅助切削低损伤机理:超声振动可以有效的降低切削力,从而能够增加裂纹产生的临界深度,降低表面损伤;超声振动的断续式切削可以减少刀具后刀面对工件的挤压,从而减少表面硬化层厚度,同时也可以减少生坯表面硬质颗粒对刀具后刀面的划擦,减少磨粒磨损。

关键词：陶瓷生坯低损伤机理离散元仿真模拟超声振动辅助切削

CFRP材料的超声振动辅助铣削和钻孔实验研究

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CFRP材料的超声振动辅助铣削和钻孔实验研究

作者：余婷南昌航空大学

学位级别：硕士

碳纤维增强复合材料是新时代研究的一个热门先进复合材料,上至航空航天下至体育器材等众多领域都有着很广泛的应用,但是它的高效、高质加工的研究现状并不能满足现在飞速发展的科技给人们带来的需求。所以本文结合某航天企业提出的波音... 详细信息

碳纤维增强复合材料是新时代研究的一个热门先进复合材料,上至航空航天下至体育器材等众多领域都有着很广泛的应用,但是它的高效、高质加工的研究现状并不能满足现在飞速发展的科技给人们带来的需求。所以本文结合某航天企业提出的波音787方向舵上一个零件用复合材料替换的想法,以碳纤维复合材料为研究对象,对其进行切边和钻孔实验,为企业提供复合材料切边和钻孔的加工参数范围。设置切边和钻孔的单因素和正交试验,以切削力和表面粗糙度值为研究目标,利用XKA715A数控铣床,加上超声振动辅助切削单元对碳纤维复合材料进行了钻孔和切边实验。以主轴转速、每齿进给量和超声波功率为因素,设置了三因素三水平的2组正交试验,9组铣削9组钻孔的正交试验;设置了3个参数单独变化的单变量实验,14组铣削14组钻孔的单因素实验。主轴转速、每齿进给量和超声波功率对切削力和表面粗糙度值的影响规律如下:(1)对于切边实验,主轴转速对于X方向铣削力影响最大,每齿进给量对于Y方向铣削力的影响最大。而切边时两个方向下各参数对铣削力和表面粗糙度值影响的趋势都是一样的,力和表面粗糙度值都是随主轴转速的增加而增大,随每齿进给量的增大而增大,超声波功率选择50%时力最小,表面粗糙度值最小。对于钻孔实验,主轴转速的增加使得钻削力和表面粗糙度值减小,每齿进给量增加使得钻削力和表面粗糙度值都增加,超声波功率选择50%到60%时力和粗糙度值均最小。(2)在切边实验中各参数对Y方向的切削力影响关系为:主轴转速>每齿进给量>超声波频率;对X方向铣削力影响为:每齿进给量>主轴转速>超声波频率。切边实验各参数对表面粗糙度值的综合影响为:主轴转速>每齿进给量>超声波频率。钻孔实验中各参数对于碳纤维复合材料钻孔钻削力和孔壁粗糙度值影响关系均为:主轴转速>每齿进给量>超声波频率。

关键词：碳纤维增强复合材料超声振动辅助切削切边钻孔

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超精密切削用刀具超声激振机构的设计

清华大学学报（自然科学版） 2012年第7期52卷 956-961页

作者：谢晓丹 Duong Camvinh 李勇 Ahmed Al-Zahrani 清华大学制造工程研究所摩擦学国家重点实验室北京100084

该文设计一种基于夹心式压电陶瓷结构的刀具超声激振机构,用于超声振动辅助金刚石刀具进行超精密切削。通过分析超精密切削技术需求,提出了激振机构结构设计方案,进行了解析设计和有限元仿真分析,制作出激振机构,进行了性能测试,并开展... 详细信息

该文设计一种基于夹心式压电陶瓷结构的刀具超声激振机构,用于超声振动辅助金刚石刀具进行超精密切削。通过分析超精密切削技术需求,提出了激振机构结构设计方案,进行了解析设计和有限元仿真分析,制作出激振机构,进行了性能测试,并开展了超声振动辅助切削的可行性实验。研制的激振机构可实现频率42.0kHz、振幅峰峰值8μm的超声激振,并在超声振动辅助金刚石刀具超精密切削中表现出良好效果,切削模具钢工件端面达到表面粗糙度Ra 0.018～0.05μm。

关键词：超声振动辅助切削刀具激振机构夹心式压电陶瓷有限元法

单晶硅超精密切削刀具磨损机理及抑制技术研究

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单晶硅超精密切削刀具磨损机理及抑制技术研究

作者：郑家洛华中科技大学

学位级别：硕士

单晶硅由于其红外透过率良好、折射率高、色散好、熔点高、导热性好、材料均匀性好、密度低、化学性质稳定等特点广泛应用于航空航天、红外探测、武器装备等领域。然而单晶硅作为一种难加工材料,其硬度高且脆性大,在超精密切削过程中刀... 详细信息

单晶硅由于其红外透过率良好、折射率高、色散好、熔点高、导热性好、材料均匀性好、密度低、化学性质稳定等特点广泛应用于航空航天、红外探测、武器装备等领域。然而单晶硅作为一种难加工材料,其硬度高且脆性大,在超精密切削过程中刀具磨损十分剧烈,刀具使用寿命极短,大大限制了单晶硅的大规模商业化应用。针对单晶硅超精密切削刀具磨损机理以及刀具磨损抑制技术一直以来是超精密加工领域研究的热点问题。本文针对这两方面进行了探索性的研究。首先,本文通过实验以及仿真模拟对单晶硅超精密切削过程的刀具磨损行为及机理进行了研究。通过端面切削实验研究了进给速度与加工表面质量以及刀具磨损的关系,并对刀具磨损、切削力随切削距离的变化关系进行了研究。借助扫描电镜发现刀具磨损形式主要是沟槽磨损以及微崩刃。通过分子动力学仿真和实验对刀具磨损的机理进行了分析,由于切削过程中金刚石刀具石墨化、扩散磨损以及刀具和工件表面之间剧烈机械摩擦导致刀具磨损严重。该部分研究为刀具磨损抑制技术提供了理论依据。其次,由于润滑对超精密切削单晶硅有很大的影响,本文对纳米颗粒润滑进行了研究,研究了纳米颗粒的类型及质量分数的影响,研究了纳米颗粒润滑下刀具磨损、切削力随切削距离的变化关系,并对纳米颗粒润滑降低刀具磨损的原理进行了分析,为提高刀具寿命提供了一种方法。最后,对超声振动辅助切削耦合纳米颗粒润滑切削效果进行了研究,研究了切削速度以及润滑方式对刀具磨损影响,并对这种方法切削单晶硅的可行性进行了分析。以上研究,有助于进一步理解单晶硅超精密过程刀具磨损机理、提高加工效率、延长刀具使用寿命,同时为大口径或复杂曲面单晶硅光学元件高效高质量超精密加工奠定理论基础和可借鉴的加工工艺方法。

关键词：单晶硅金刚石刀具磨损纳米颗粒润滑超声振动辅助切削

碳纤维复合材料正交切削过程损伤机理数值分析

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碳纤维复合材料正交切削过程损伤机理数值分析

作者：陈德雄福州大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)由于其良好的机械性能和物理力学性能被广泛运用于航空、军事、汽车等多个工业领域。然而,CFRP在微观上呈现出增强体纤维、基体树脂以及界面组成的混合态,容易导致纤维基体脱粘、... 详细信息

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)由于其良好的机械性能和物理力学性能被广泛运用于航空、军事、汽车等多个工业领域。然而,CFRP在微观上呈现出增强体纤维、基体树脂以及界面组成的混合态,容易导致纤维基体脱粘、基体开裂、分层和毛刺等缺陷,并且伴有材料的面下破坏损伤。因此,研究CFRP的切削过程的损伤机理具有重要的现实意义。本文先后从CFRP的宏观建模和微观建模出发,利用模拟正交试验考虑多因素对切削过程面下损伤深度的综合影响进行分析。动态研究了面下破坏损伤,并相应对比分析了超声振动辅助切削对CFRP切削过程的影响。在宏观建模方面,影响面下损伤深度(Dm)的因素主次顺序为:纤维方向角>刀尖半径>切削深度>刀具前角;纤维方向角及其和刀具前角的交互作用对面下损伤深度具有显著影响,贡献率分别为48.12%和10.86%。纤维方向角0=0°和45°的切削加工表面较为平整;纤维方向角θ=90°和135°有明显的加工裂纹缺陷,表面形貌轮廓波动较大,所得结果与相关实验的加工缺陷趋势相吻合。不同切削方式下不同纤维方向角的面下损伤深度、基体开裂损伤和压溃损伤随振动频率和振幅呈现出不同的变化趋势。当θ=90°和135°时,由于大纤维方向角度切削所具有的特殊性质,CDVA切削方式下不同频率的面下损伤深度均大大超过了传统切削。当θ=90°时,EVA方式在40KHz频率作用下同样产生了开裂破坏缺陷,说明合理选择振动频率对切削加工效果有重要的影响。微观建模方面,不同纤维方向角CFRP在刀具作用下呈现出不同方式的损伤失效规律。当θ=0°时,纤维的主要失效方式是弯曲断裂。当θ=45°和90°时,纤维在靠近刀尖侧受到压缩应力的作用,在远离刀尖侧受到拉伸应力的作用。当θ=135°时,刀尖圆角和刀具前角对纤维和基体进行挤压并产生弯曲失效断裂,切削加工表面材料断裂留下较严重的切削加工缺陷。当0=0°时,三种切削方式破坏均在切削表面之上,切削加工质量均较好。当0=45°时,在EVA方式作用下产生棱边缺陷,出现锯齿状表面。当θ=90°时,由于刀具的前后振动作用使得材料的回弹现象得到缓解,并且没有出现明显的破坏缺陷。当0=135°时,三种切削加工方式下,工件均有不同程度的面下破坏缺陷。本文的研究结果可以为CFRP切削过程的面下损伤和超声振动辅助切削机理的进一步研究提供理论依据。

关键词：碳纤维复合材料损伤机理面下损伤超声振动辅助切削有限元仿真