超声振动铣削陶瓷基复合材料切削力模拟研究

针对陶瓷基复合材料在加工过程中易出现毛刺、分层、崩边等加工问题,提出超声振动切削方法加工陶瓷基复合材料并进行了铣削过程的有限元模拟分析。给出了主轴转速、进给速度对铣削过程中各向切削力的影响,对比分析了超声振动铣削加工与普通铣削加工的切削力波形曲线。结果表明,两种加工方法各向切削力均随主轴转速的增大而减小,进给速度的增大而增大,但当主轴转速达到4000r/min时,超声作用消失,超声振动切削力与普通铣削切削力相当;同时,超声振动铣削加工条件下各向切削力峰值都明显低于普通铣削切削力,平均切削力更是有大幅度降低,超声振动切削方法更适合加工陶瓷基复合材料。     

陶瓷基复合材料旋转超声加工特性研究

针对陶瓷基复合材料加工方法的优势和不足,采用旋转超声加工方法对陶瓷基复合材料进行加工,完成旋转超声加工方法与传统加工方法的对比试验。试验表明,钻削力随着主轴转速的增加而减小,随进给速度的增加而增加;扭矩随着主轴钻速的增加而减小,随进给速度的增加而增加;工件表面粗糙度随着主轴转速和进给速度的增加先降低后增加。超声加工方法获得的钻削力、扭矩和表面粗糙度均优于传统加工方法。     

超声振动辅助磨削加工表面质量的研究

为了提升难加工材料的表面质量,降低工件表面的损伤,对砂轮施加轴向超声振动,引入数学模型并基于MATLAB对工件表面质量进行仿真,结果表明:超声振动辅助磨削能明显提升工件表面加工质量,在一定的范围内,振动频率、幅值与主轴转速的增加可以优化表面质量,进给量与切削深度的增加会削弱超声振动的优化效果.     

碳化硅陶瓷的超声振动辅助磨削

采用普通磨削方式和超声振动辅助磨削方式对无压烧结SiC材料进行了磨削工艺实验,对不同磨削方式下磨削参数对磨削力比、表面损伤及亚表面损伤的影响进行了对比研究,并分析了超声振动磨削作用机制。实验结果显示,该实验中SiC材料去除主要以脆性去除为主,砂轮磨削力比随着磨削深度和进给速度的增加缓慢增加,随着主轴转速的增加略有减小;普通磨削时SiC工件亚表面损伤深度随着磨削深度、进给速度增加逐渐增加,而超声振动辅助磨削变化较小。与普通磨削相比,在相同的磨削参数下,超声振动辅助磨削的高频冲击使材料破碎断裂情况得到改善,且磨削力比减小近1/3,表面裂纹、SiC晶粒脱落、剥落等表面损伤较少,表面损伤层较浅,亚表面裂纹数量及深度都有较大程度降低,可以获得较为理想的表面质量。     

超声振动辅助磨削加工技术及装备研究的现状与展望

超声振动辅助磨削加工技术通过在传统磨削加工基础上叠加高频微幅超声振动,可以减小磨削力,降低磨削温度,提高材料去除率,改善工件表面质量,在航空航天、高档机床、高速列车、能源动力等高端装备高效高品质制造方面具有显著优势和广阔应用前景。现阶段,国内外已经开展了众多超声振动辅助磨削加工技术及装备的研究工作,相关成果已在多种难加工材料关键部件加工中得到工程应用。在概述超声振动辅助磨削加工技术的基本原理、加工优势、主要分类和发展趋势的基础上,系统总结了国内外学者在超声振动辅助磨削装备及设计方法、材料去除机制和表面形成机制方面的研究成果,并对超声振动辅助磨削加工技术未来发展趋势和重要研究问题进行了展望。     

碳化硅陶瓷基复合材料常用的特种加工技术：综述

碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-CMC)具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等诸多优点,在航空航天、核工业、刹车系统中表现出巨大的应用潜力。然而,SiC-CMC各向异性、不均质性、硬脆性的特点,使加工变得十分困难。传统加工方法存在加工表面质量难以控制、刀具磨损严重、加工效率极低的问题。为了解决上述问题,特种加工技术被用来尝试加工SiC-CMC。不过,特种加工技术种类众多,涉及的知识面比传统加工技术多、广、杂,选择工程实用价值更高和基础性更强的激光加工、磨粒水射流加工、电火花加工三个方面展开综述。首先介绍了三种特种加工技术存在的问题,然后综述了解决问题的方法,最后比较了三者之间的优劣势并得出结论：特种加工技术具有各自优势,激光加工适合加工微孔、微槽等微织构;磨粒水射流加工具有更高的加工效率,且能加工大型复杂构件;电火花加工设备投资低,擅长加工薄板型构件和深腔凹槽。特种加工技术既不相互排斥,也不能相互代替,而应该相辅相成,发挥各自的优势,以高效率制备高精密的复杂构件。     

超声辅助磨削加工碳纤维复合材料的磨削力分析

针对碳纤维复合材料采用普通磨削时存在磨削力大、刀具磨损快、工件加工效率低等问题。在国内首次基于超声辅助磨削对航空碳纤维复合材料进行磨削力研究,选择主轴转速、超声振幅、进给速度和磨削深度主要的磨削工艺参数,深入开展航空碳纤维复合材料的超声辅助磨削力对比研究。研究结果表明:加工碳纤维复合材料工件时,超声辅助磨削能明显降低磨削力,即使在最差的加工条件下,即较低的主轴转速、较高的进给速度、较大的磨削深度的条件下,超声辅助磨削对磨削力的降低作用越显著。超声辅助磨削无论在航空碳纤维复合材料的粗加工还是在精加工中,都能达到更好的加工效果,在改善航空碳纤维复合材料的加工条件、增加工具使用寿命和提高加工效率上都有明显的作用。     

超声振动辅助磨削脉冲放电复合加工工艺研究

利用超声振动、电火花脉冲放电的加工特点,将其同单一普通磨削优化组合,可以得到较好的加工效果.从加工表面粗糙度、表面微观形貌两个方面,比较了单一磨削、超声振动辅助磨削、磨削-电火花脉冲放电复合加工、超声振动辅助磨削-电火花脉冲放电复合加工的加工效果,得出了不同加工方法的优缺点.通过对几种加工方法的优化组合,设计了新的加工工艺.实验结果证明,新的加工工艺可以有效地提高加工表面质量,减少裂纹和热应力的产生.     

SiCf/SiC复合材料超声辅助磨削试验研究

连续碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiC_f/SiC)具有密度低、模量高、强度高、耐高温和抗氧化等优点,在航空航天领域具有广阔的应用前景。针对SiC_f/SiC复合材料加工过程中易产生纤维断裂、翘曲和拔出等问题,采用电镀金刚石磨头对SiC_f/SiC复合材料进行超声辅助磨削试验研究,测量并对比超声辅助磨削与普通磨削在不同磨削参数下磨削力和磨削力比的变化,观察加工表面质量。结果表明：超声辅助磨削能显著降低SiC_f/SiC的磨削力比并提升表面质量,但当磨削速度不断增加时,超声辅助加工的效果减弱并趋于普通磨削。     

碳化钛颗粒增强钢基复合材料超声振动辅助划痕仿真及试验研究

碳化钛(TiC)颗粒增强钢基复合材料具有较高的强度、硬度和耐磨性,在精密航空航天零件中广泛应用。由于材料中TiC硬质颗粒的存在,导致了加工表面质量差、刀具磨损严重等问题,超声振动辅助加工被尝试用于解决该问题,但在超声振动辅助条件下针对该材料的去除机理尚不明确,参数优化缺乏理论指导,通过开展超声振动辅助划痕仿真及试验研究,探究该材料在超声振动辅助条件下的去除机理和表面创成机制。首先基于TiC颗粒大小、形态、分布特征以及颗粒和基体的材料特性建立了材料的有限元仿真模型,然后分析了单颗金刚石超声振动辅助划痕过程中材料去除特性以及表面创成机制,并开展了验证试验。结果表明：仿真模型的划痕力预测值与试验值误差小于16%;在划擦过程中,TiC颗粒受到的最大应力为拉应力,基体受到的最大应力为压应力;与传统划痕相比,超声振动辅助划痕过程中单颗金刚石与工件间歇性分离,划痕力呈现周期性变化,平均划痕力降低16%-50%;在超声振动辅助条件下,由于单颗金刚石对TiC颗粒的锤击作用,基体材料塑性变形更大,更多的颗粒与基体脱粘变成切屑,导致划痕表面形成更大的空腔,此研究可为后续加工过程中工艺参数选择提供指导。     

超声振动辅助磨削脉冲放电复合加工工艺研究

利用超声振动、电火花脉冲放电的加工特点,将其同单一普通磨削优化组合,可以得到较好的加工效果。从加工表面粗糙度、表面微观形貌两个方面,比较了单一磨削、超声振动辅助磨削、磨削—电火花脉冲放电复合加工、超声振动辅助磨削—电火花脉冲放电复合加工的加工效果,得出了不同加工方法的优缺点。通过对几种加工方法的优化组合,设计了新的加工工艺。实验结果证明,新的加工工艺可以有效地提高加工表面质量,减少裂纹和热应力的产生。     

超声振动辅助铣磨加工工艺对Cf/SiC复合材料加工表面质量的影响

设计了两种超声振动辅助铣磨加工试验,并与普通铣磨加工方式相对比,试验研究了三种不同加工方式下铣磨难加工复合材料C_f/SiC的加工缺陷及表面粗糙度。试验结果表明:施加了纵向振动与沿进给方向振动的两种超声振动后,C_f/SiC复合材料的纤维拔出与崩边缺陷明显减少,底面凹坑缺陷也得到了有效抑制;采用纵向超声振动辅助铣磨时加工质量要优于沿进给方向超声振动辅助铣磨的加工效果。与普通铣磨相比,两种超声振动辅助铣磨均可有效降低表面粗糙度。各磨削要素对不同铣磨加工方式下C_f/SiC材料的表面粗糙度影响关系为:表面粗糙度随主轴转速增加而降低,随进给速度、磨削深度的增加而增加,随着超声振幅增大,表面粗糙度先减小后增大。研究表明,在优化的振幅下采用纵向超声振动辅助铣磨方式可以更大幅度地改善C_f/SiC复合材料的表面质量。该研究对难加工复合材料的高性能加工具有实际指导作用。     

超声振动辅助磨削加工智能控制技术研究

根据超声振动辅助磨削加工的特点,结合检测难易程度和实际需要,选择磨削力比作为输入。利用磨削力检测系统获得磨削力比实时数据,对采样结果进行分析处理。采用分级控制,分别控制超声功率和工件进给速度。将磨削力比的变化和变化率作为模糊控制器的输入,工件进给速度作为控制器的输出。根据模糊控制规则,利用Matlab提供的Simulink仿真模块,对超声振动辅助磨削加工模糊控制系统进行了动态仿真,仿真结果符合模糊策略,进给速度能够随着磨削力比的变化实现调整,从而避免产生磨削烧伤和颤振。     

超声振动精密铣削钛基复合材料试验研究

采用单因素法制定试验方案,对原位合成法制备的钛基复合材料用PCD铣刀在超声振动和普通铣削工况下进行高速铣削试验,通过铣削力、表面微观形貌及粗糙度、刀具磨损形态和机理研究该材料的加工特性。结果表明：超声振动铣削可以显著减小三向铣削力,原因是超声振动提高了系统的刚度。试验方案中存在着最佳铣削速度,在最佳铣削速度切削时会产生较小的切削力、适合的切削温度,有利于增强相被PCD刀具直接切断、晶须原位压入或向切削方向发生转动,从而在加工表面上明显减少微细划痕、犁沟、微孔洞、基体撕裂或熔融堆积等缺陷,获得纳米级的加工表面。PCD刀具前后刀面都没有月牙洼磨损产生,而是以犁沟状的磨损形态为主,机理是磨料磨损。     

便携式旋转超声振动钻研究

为碳纤维复合材料的构件的钻孔，研制出一种便携式旋转超声钻，设计了小型化超声振动系统，并对其主要性能进行了试验分析，对于超声波发生器，提出电流反馈式的搜索电流量大值来实现频率的自动跟踪，还介绍了用步进电机作为驱动元件，兼有压力检测的约束型适应控制。     

超声振动辅助模板电解加工微凹坑方法研究

针对微细电解加工表面微织构加工精度较差等问题,提出超声振动辅助模板电解加工方法。制备具有通孔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘模板,设计制作超声振动变幅杆结构;进行超声振动辅助模板电解加工仿真分析,开展微凹坑加工试验研究。在加工电压为12 V和加工时间为12 s条件下,辅助以纵向超声波振动频率为28 kHz及超声振幅为7μm时有：绝缘模板作用下加工的微凹坑深度为10.4μm,直径为116μm;无绝缘模板作用下加工的微凹坑深度为9.7μm,直径为126μm;无超声振动时绝缘模板作用下加工的微凹坑深度为4.1μm,直径为114μm。     

一种新颖的超声振动加工技术

随着超声振动加工机床的出现,掀起了一场超硬脆性材料加工领域的革命,使包括陶瓷、玻璃、硬质合金、硅、石墨、复合材料和贵重石材等在内的高效加工理念焕然一新。     

超声振动磨削陶瓷的温度场特性研究

采用人工热电偶法,通过普通磨削和超声振动磨削对比实验,对陶瓷材料ZrO2平面磨削的温度场进行了实验研究。并对磨削参数与磨削温度的关系,进行了理论分析及实验验证。结论表明:距磨削表面越远,其磨削温度的峰值越远离热源;增大磨削深度、提高磨削速度和工作台进给速度都会使工件表面温度升高。正交试验表明,磨削深度对温度场的影响较大。普通磨削时工件表层的温度较高,易发生磨削烧伤,采用超声复合磨削能有效降低工件表层温度。     

复合材料中超声技术的研究

介绍了超声技术在解决复合材料界面时所起的作用以及制造超声振动系统时应考虑的因素，为进一步认识和利用超声技术提供了理论依据。