高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的试验研究
发布时间：2021-02-01 04:53
由于大量高硬度增强相Si C颗粒的存在,高体积分数铝基碳化硅（Si Cp/Al）复合材料的机械加工十分困难。旋转超声加工被认为是加工这种材料的有效方法。通过超声辅助划痕试验,分析高体积分数Si Cp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的材料去除机理。在超声振动的作用下,材料中铝基体发生塑性变形,其表面得到夯实;Si C增强相被锤击成细小的颗粒而发生脱落,形成较大的空洞。由于材料加工的缺陷大多产生于Si C颗粒的去除过程中,Si C颗粒的去除方式对加工表面的质量起着决定性的作用,选择合适的工艺参数可以有效提高加工表面质量。旋转超声加工工艺特征试验表明,超声振动可有效降低切削力;主轴转速对轴向切削力的影响最大,其次是进给速度,切削深度对轴向切削力的影响较小;另外主轴转速对表面质量的影响效果也最大,并随主轴转速的增大表面粗糙度增大。因此在加工过程中,可以适当加大切削深度,在保证加工质量的基础上,选择较大的进给速度,在保证刀具寿命的前提下,选择合适的主轴转速,以获得较优的加工表面质量和加工效率。
【文章来源】：机械工程学报. 2017,53(19)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
超声辅助划痕试验系统示意图
在压头的轴向上叠加了超声振动，用以模拟旋转超声加工中单磨粒的切削过程。试验系统示意图如图1所示。金刚石压头被装夹在超声主轴上，实现压头的切向划痕运动和轴向超声振动。铝基碳化硅工件通过夹具安装在测力仪(Kistler9256C2)上，通过千分表来调节工件的水平性，确保工件处于水平面上，调节工件一边的高度，确定划痕深度。划痕载荷通过测力仪、电荷放大器和计算机被记录下来，用以划痕试验的起始校准和过程检测。图1超声辅助划痕试验系统示意图试验在德国DMG公司生产的Ultrasonic50旋转超声加工机床上进行，如图2所示。机床内通过超声波发生器产生高频电振动信号，经超声波换能器转换成机械振动，通过压头上的变幅杆将机械振动的振幅放大，实现金刚石压头的超声振动。试验中采用的是自制的金刚石压头，压头的锥角为60°，压头顶部圆弧半径为100μm。试验所使用的工件尺寸为30mm×20mm×5mm，材料的体积分数为56%。试验前将工件表面抛光至表面粗糙度100nm。试验结束后通过扫描电子显微镜观察划痕表面形貌。关闭超声作用，可进行普通划痕试验。试验中金刚石压头的划痕深度为0～30μm；划痕速度为24000mm/min；金刚石压头的超声振动频率为18.85kHz；划痕的长度为20mm。图2超声辅助划痕试验系统实物图
月2017年10月查慧婷等：高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的试验研究1091.2材料去除机理分析在超声辅助划痕试验中，单颗粒金刚石压头一方面做直线运动，另一方面做轴向超声振动，这样金刚石压头的运动轨迹方程和运动速度方程为sin2π2πcos2πyzytvtztAftvtvvtfAft(1)式中，y、z分别为压头划痕方向和超声振动方向；v是划痕速度；A是金刚石压头的超声振幅；f是机床超声波发生器的振动频率。其运动轨迹如图3所示。图3金刚石压头的轨迹图由此可知，区别于传统的划痕试验，金刚石压头除了在前进方向上有一个恒定的速度外，在轴向上还存在一个正弦变化的振动速度。这就使得金刚石磨粒与材料的相互作用发生变化，不仅存在划擦、耕犁等作用，还存在着轴向的锤击作用。通过扫描电子显微镜观察划痕表面形貌发现，如图4a所示，在超声振动辅助划痕的表面形貌中，铝基体表面十分平整，SiC颗粒发生破碎而脱落，表面存在很多凹坑。然而在普通划痕中铝基体发生图4划痕表面形貌的SEM图黏附，碳化硅颗粒发生层断，如图4b所示。由此可知，在超声振动的作用下，材料中铝基体发生塑性变形，其表面得到夯实；而SiC颗粒被锤击成细小的颗粒而发生脱落。超声辅助状态下，铝基体的表面质量得到明显提高。图5超声振动辅助划痕过程中的划痕力图5为超声振动辅助划痕过程中的轴向划痕力和切向划痕力。从图中可以看出，轴向划痕力明显大于切向划痕力，切向力的减小降低了压头对材料的推挤作用，这使得加工后的铝基体表面更为平整，而减小了其黏附作用。由于铝基碳化硅中存在性质截然不同的两相材料，即弹塑性的铝基体相和硬脆性的SiC相，在金刚石磨粒前进过程中，会遇到以下几种情况?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声辅助磨削碳化硅铝基复合材料改善砂轮堵塞的实验研究[J]. 向道辉,马国峰,张玉龙,梁松,周直昆,张磊. 制造技术与机床. 2015(06)
[2]铝基碳化硅复合材料超声振动辅助划痕表面形貌研究[J]. 周晓勤,梁桂强,郭婷婷. 功能材料. 2014(23)
[3]光学玻璃旋转超声端面铣削表面特性[J]. 张承龙,冯平法,张建富. 清华大学学报(自然科学版). 2012(11)
[4]高体积分数SiCp/Al复合材料的研究现状[J]. 方玲,张小联,王科军. 江西有色金属. 2007(04)
[5]碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用[J]. 崔岩. 材料工程. 2002(06)
硕士论文
[1]铝基碳化硅复合材料的超声辅助磨削加工工艺研究[D]. 苏阔.大连理工大学 2012
本文编号：3012207
【文章来源】：机械工程学报. 2017,53(19)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
超声辅助划痕试验系统示意图
在压头的轴向上叠加了超声振动，用以模拟旋转超声加工中单磨粒的切削过程。试验系统示意图如图1所示。金刚石压头被装夹在超声主轴上，实现压头的切向划痕运动和轴向超声振动。铝基碳化硅工件通过夹具安装在测力仪(Kistler9256C2)上，通过千分表来调节工件的水平性，确保工件处于水平面上，调节工件一边的高度，确定划痕深度。划痕载荷通过测力仪、电荷放大器和计算机被记录下来，用以划痕试验的起始校准和过程检测。图1超声辅助划痕试验系统示意图试验在德国DMG公司生产的Ultrasonic50旋转超声加工机床上进行，如图2所示。机床内通过超声波发生器产生高频电振动信号，经超声波换能器转换成机械振动，通过压头上的变幅杆将机械振动的振幅放大，实现金刚石压头的超声振动。试验中采用的是自制的金刚石压头，压头的锥角为60°，压头顶部圆弧半径为100μm。试验所使用的工件尺寸为30mm×20mm×5mm，材料的体积分数为56%。试验前将工件表面抛光至表面粗糙度100nm。试验结束后通过扫描电子显微镜观察划痕表面形貌。关闭超声作用，可进行普通划痕试验。试验中金刚石压头的划痕深度为0～30μm；划痕速度为24000mm/min；金刚石压头的超声振动频率为18.85kHz；划痕的长度为20mm。图2超声辅助划痕试验系统实物图
月2017年10月查慧婷等：高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的试验研究1091.2材料去除机理分析在超声辅助划痕试验中，单颗粒金刚石压头一方面做直线运动，另一方面做轴向超声振动，这样金刚石压头的运动轨迹方程和运动速度方程为sin2π2πcos2πyzytvtztAftvtvvtfAft(1)式中，y、z分别为压头划痕方向和超声振动方向；v是划痕速度；A是金刚石压头的超声振幅；f是机床超声波发生器的振动频率。其运动轨迹如图3所示。图3金刚石压头的轨迹图由此可知，区别于传统的划痕试验，金刚石压头除了在前进方向上有一个恒定的速度外，在轴向上还存在一个正弦变化的振动速度。这就使得金刚石磨粒与材料的相互作用发生变化，不仅存在划擦、耕犁等作用，还存在着轴向的锤击作用。通过扫描电子显微镜观察划痕表面形貌发现，如图4a所示，在超声振动辅助划痕的表面形貌中，铝基体表面十分平整，SiC颗粒发生破碎而脱落，表面存在很多凹坑。然而在普通划痕中铝基体发生图4划痕表面形貌的SEM图黏附，碳化硅颗粒发生层断，如图4b所示。由此可知，在超声振动的作用下，材料中铝基体发生塑性变形，其表面得到夯实；而SiC颗粒被锤击成细小的颗粒而发生脱落。超声辅助状态下，铝基体的表面质量得到明显提高。图5超声振动辅助划痕过程中的划痕力图5为超声振动辅助划痕过程中的轴向划痕力和切向划痕力。从图中可以看出，轴向划痕力明显大于切向划痕力，切向力的减小降低了压头对材料的推挤作用，这使得加工后的铝基体表面更为平整，而减小了其黏附作用。由于铝基碳化硅中存在性质截然不同的两相材料，即弹塑性的铝基体相和硬脆性的SiC相，在金刚石磨粒前进过程中，会遇到以下几种情况?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声辅助磨削碳化硅铝基复合材料改善砂轮堵塞的实验研究[J]. 向道辉,马国峰,张玉龙,梁松,周直昆,张磊. 制造技术与机床. 2015(06)
[2]铝基碳化硅复合材料超声振动辅助划痕表面形貌研究[J]. 周晓勤,梁桂强,郭婷婷. 功能材料. 2014(23)
[3]光学玻璃旋转超声端面铣削表面特性[J]. 张承龙,冯平法,张建富. 清华大学学报(自然科学版). 2012(11)
[4]高体积分数SiCp/Al复合材料的研究现状[J]. 方玲,张小联,王科军. 江西有色金属. 2007(04)
[5]碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用[J]. 崔岩. 材料工程. 2002(06)
硕士论文
[1]铝基碳化硅复合材料的超声辅助磨削加工工艺研究[D]. 苏阔.大连理工大学 2012
本文编号：3012207
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