超声椭圆振动切削SiCp/Al复合材料仿真研究

SiCp/Al复合材料具有优异的物理性能,但颗粒的存在导致其加工困难。颗粒材料的超硬性和耐磨性、加工表面的损伤以及刀具的磨损被认为是该类颗粒复合材料加工的主要障碍。目的 针对SiCp/AI复合材料难加工特性,通过对比常规切削(CC)与超声椭圆振动切削(UEVC)来研究其加工机理,分析两种加工方式下颗粒的损伤对切屑形成以及表面质量的影响。方法 基于Si Cp/Al复合材料的实际微观结构建立切削模型,采用有限元仿真的方法从微观层面展现其切削过程,能够直观呈现两种加工方式下颗粒损伤对切屑形成、刀具磨损以及表面质量的影响,进而预测复合材料在实际加工过程中可能遇到的问题,提出相应的解决方案。结果CC加工为锯齿状切屑,切削过程中主要为颗粒对刀具的两体滑动摩擦以及铝基体粘着摩擦,加工中导致的地下损伤严重。而UEVC加工时切屑易成段分离,切削过程中主要为颗粒对刀具的三体滚动摩擦,切屑根部聚集的颗粒相较CC加工过程较少,弱化了对加工表面的损伤。在两种加工方式下,加工表面存在以下缺陷:颗粒破碎、颗粒凸起、大空腔、凹坑以及沟槽等。结论 总体来说,UEVC加工有利于断屑,导致的损伤缺陷更少,颗粒破损程度更小,能大幅降低切削力,对改善SiCp/Al复合材料加工表面质量有一定效果。

超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削(Conventional cutting,CC)与超声振动辅助切削(Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC)两种加工方式,通过有限元仿真软件Abaqus对20%SiCp/Al复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及Al基体撕裂是影响SiCp/Al复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力(主切削力)降低33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题,对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。

超声椭圆振动切削难加工材料的研究进展

超声椭圆振动切削具有断续切削特性的切削优势,已成为国内外研究及应用的热点,尤其适用于脆性材料、复合材料等难加工材料的高性能制造加工领域。目前该技术的机理及对难加工材料的适配工艺方面仍不成熟,需要进一步地探索和实践。通过超声椭圆振动切削机理、特性以及对加工表面质量影响因素的分析,阐明了其在加工中低切削温度、低切削力、低损伤、高尺寸精度以及良好表面完整性的独特优势,综述了在塑性材料、脆性材料、复合材料等难加工材料领域的应用,为后续研究超声椭圆振动切削技术提供了参考。

SiCp/Al复合材料在常规与超声振动辅助条件的切削过程和表面形成的有限元分析

SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料,由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高,机械加工性差,常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真,对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明,相比于常规切削,超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性,减少复合材料的亚表面损伤,并且能够提高工件的表面质量。

超声椭圆振动铣削钛合金切削力和残余应力分析

铣削工艺以其高表面加工质量在制造领域中占有一席之地。为了进一步提高铣削精度,引入椭圆振动进行辅助加工,分析铣削钛合金切削力和残余应力特性。研究结果表明:当增大附加幅值时,平均径向切割力呈不断下降,有利于强化超声波椭振铣削作用,使加工周期明显缩短,而平均切削力也随之减小。随着超声振幅增大,表面残余应力增加,表面残余应力由表面最大点随深度增大持续下降,获得了稳定表面残余应力。该研究为后续的超声椭圆振动铣削工艺优化奠定一定的理论基础。

超声椭圆振动切削去除退役光伏组件含氟背板仿真研究

光伏组件中的背板是一种含氟塑料,回收利用价值低且易产生环境污染,需要提前去除集中处理。为了研究超声椭圆振动切削(UEVC)去除退役光伏组件含氟背板的优越性,开展了超声椭圆振动切削(UEVC)与常规切削(CC)的对比仿真实验,并针对UEVC进行以切削速度、切削深度、切向振幅和频率为变量的单因素仿真实验。仿真结果表明:UEVC过程中,切削温度和切削力与切削速度和切削深度成正相关,与切向幅值和频率成负相关。其中,切削力受到切削深度的影响最显著。相对于CC而言,UEVC能够明显降低切削力和切削温度,其中,主切削力降低43%,切削温度降低11%,是一种在无污染的前提下去除退役光伏组件含氟背板的有效加工方式。

超声椭圆振动切削装置应用现状及发展综述

椭圆振动切削装置可很好地解决高性能材料的硬脆性加工难的问题。椭圆振动切削装置通过给刀具施加超声振动使刀具与工件分离,这种方式可降低切削力,提高工件表面的加工质量。该文首先介绍了该装置的切削原理,其次对其结构特点和研究现状做了分析,最后对该装置的性能特性进行了总结。目的是通过对这类装置的介绍和性能分析,使超精密加工领域的相关科研工作者和技术人员较好地掌握类似装置的性能特性,为后续加工装置的优化设计提供理论参考。

超声振动激光切削钨合金表面质量评价试验

对90W-7Ni-3Fe硬质合金进行了超声振动激光切削测试,并分析了表面完整性的影响因素,通过实验对工件的显微组织形貌、表面结构、残余应力、粗糙度、表面硬度与晶体位错密度开展了研究。研究结果表明:采用超声振动激光切削方式获得了比常规切削模式更小的粗糙度,对犁沟与鳞刺起到显著抑制作用,获得了更小的工件表面粗糙度,显著改善了加工质量。以相同工件进行切削时得到的钨相与粘结相位于亚表面区域的变质层,钨相变质层达到400 nm的厚度,粘结相变质层达到1μm的厚度。采用超声振动激光切削得到的工件表面位错密度相对常规切削。与基体硬度相比,以UEVC与CC方式切削加工表面硬度显著提高,超声切削试样表面更明显硬化。采用超声振动方式形成了更高残余应力。

超声椭圆振动切削技术及装置应用研究现状及进展

首先,阐述了超声椭圆振动切削技术、原理及其装置特点,着重论述了装置各构成部分的特点及其主要应用类型与材料。其次,分析了国内外学者在双激励、单激励方式下实现纵弯、纵扭、双弯曲和弯扭等复合超声振动装置结构设计及其优化方面的研究成果与进展,并且比较了超声椭圆振动切削与传统加工在加工性能、工件表面质量和加工精度等方面的加工优势与适用范围,以及不同超声振动装置在各切削加工中所能获得的加工效果。最后,对超声椭圆振动切削装置的发展趋势进行了总结和展望,指出该装置发展将朝着结合能场的方向发展。

低温微量润滑和超声椭圆振动下GH4169合金切削研究

GH4169镍基合金切削加工时容易造成明显加工硬化现象,形成了很大的切削力和切削温度,对刀具带来严重磨损。为了提高GH4169合金的切削机加工性能,结合超声椭圆振动(UEV)和低温微量润滑(CMQL)的优势设计了一种UEV+CMQL切削方式。搭建CBN刀具的GH4169合金切削实验,开展不同切削方式下切削力和切削温度性能分析。研究结果表明,采用低温微量润滑实现了切削力的大幅下降,促使工件硬度与切削力的显著提高。相比常规切削方法,以UEV与CMQL方法使温度减小19.7%。设定更低喷雾温度时刀尖应力明显减小,喷嘴角度减小可以使刀具中形成更低应力,延长刀具使用寿命,提升刀具耐磨性能并获得更优减磨效果也能够适难加工合金用,研究结果作为改善合金切削生产工艺的重要参考依据。

钛合金超声椭圆—低频扭转复合振动攻丝实验研究

为提高TC4钛合金小螺纹孔的攻丝效率,通过研制双弯复合超声椭圆振动换能器并进行超声椭圆—低频扭转复合振动攻丝实验,探讨了超声椭圆振动攻丝的特点以及低频扭转振动参数对复合振动攻丝的影响。实验结果表明,与低频扭转振动攻丝相比,复合振动攻丝在所选参数范围内能够降低约16%的攻丝扭矩,且在保持攻丝扭矩基本不变的前提下加工效率提高约1倍;低频扭转振动的净切削量越小,回退量越大,主轴转速越低,复合振动攻丝中超声椭圆振动发挥的作用越明显。

超声振动辅助切削对碳纤维增强树脂复合材料面下损伤影响的仿真研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在传统加工(OC)过程中存在着切削力过大、表面质量不佳、面下损伤较为严重等问题。为了改善上述问题,本文提出使用超声振动辅助切削(UVC)工艺加工CFRP,通过仿真分析对切削力与面下损伤深度进行研究。结果表明:使用UVC加工CFRP可降低13%~80%的切削力,且纤维方向角对切削力影响较小。与OC相比,UVC切削0°、45°纤维方向角的CFRP时可以减少约50%的面下损伤深度;在切削90°、135°纤维方向角的CFRP时虽然没有改善面下损伤深度,但取得了较为平整的已加工表面以及较小的损伤区域。

激光超声复合加工硬质合金的切削力理论与试验

为了实现硬质合金的延性域加工,研究激光加热与超声椭圆振动复合切削条件下,使用CBN(立方氮化硼)刀具对硬质合金进行精密加工的切削特性。分析硬质合金在普通切削、超声椭圆振动切削与激光超声复合切削三种切削方式下的切削力变化特征,建立激光超声复合切削的切削力理论模型,采用超精密车床与YAG激光器、自主研发的超声振动装置等辅助设备,试验研究激光超声复合精密加工硬质合金的切削特性。通过一系列的对比试验,分析切削参数,如切削速度、切削厚度对切削力的影响规律。理论模型与试验结果表明,由于硬质合金的软化和断续切削,使得激光超声复合辅助加工显著地降低了切削力,硬质合金的切削加工性能得到显著改善,通过工艺参数的优化,可以实现硬质合金的精密加工。

难加工材料纵扭超声振动辅助铣削加工研究进展

纵扭复合超声振动辅助铣削(LTUVAM)是在刀具轴向与扭转方向上施加高频微幅振动的一种辅助铣削技术,具有降低切削力与切削热、提高工件表面质量、提高表面残余压应力、减少刀具磨损等诸多优点。本文围绕难加工材料的铣削加工进行了系统综述。在设备制造方面,阐述了纵扭复合超声振动系统的结构设计方法与工作原理;在工艺开发方面,从LTUVAM的切削刃运动轨迹及切削特性入手,分析各类材料的切削加工性能,并总结了LTUVAM的优势及应用。最后,本文对LTUVAM的未来发展趋势进行展望。

超声波椭圆振动切削技术

主要阐述了超声波椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统;分析了超声波椭圆振动切削运动特性;介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。最后,对超声波椭圆振动切削技术进行了展望。

超声椭圆振动车削的切削特性

为了深入研究超声椭圆振动切削特性及其应用前景,通过建立超声椭圆振动切削模型,根据运动学方程,分析和推导出了切削占空比、振纹高度、振动频率、振幅之间的关系,揭示了超声椭圆振动车削表面粗糙度、加工精度、加工效率之间的相互关系。通过切削力和表面粗糙度试验对推导出来的结果进行了验证,试验结果表明有效减小切削力是超声椭圆振动切削加工应用的主要优势。

新型单激励椭圆超声振动切削系统的研究

提出了一种新型的单激励纵弯复合椭圆振动切削系统的结构。通过理论分析揭示了实现振动方式转换的机理,提出了实现椭圆振动的条件和结构设计的方法。通过有限元动态数值模拟分析和实验验证了理论分析的结果。

高频超声椭圆振动精密切削

研制了一种新型的工作频率为147.5kHz的超声椭圆振动换能器,进行了高频椭圆车削硬铝(LY12)的试验。试验结果表明,在精密切削中,同普通切削相比较,高频椭圆超声振动切削对表面粗糙度具有负面影响,但具有降低切削力和提高加工精度的特点,而同低频(20.5kHz)椭圆振动切削相比较,在相同条件下,可采用较高的切削速度,从而提高了工作效率。

激光超声复合切削硬质合金的刀具磨损及其对工件表面质量的影响

基于激光加热辅助切削和超声椭圆振动切削提出了激光超声复合切削加工工艺。采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具对YG10硬质合金进行了常规切削,超声椭圆振动切削,激光加热辅助切削和激光超声复合切削对比试验。检测了刀具磨损量、刀具磨损形貌、工件表面粗糙度以及工件表面形貌,并通过扫描电镜(SEM)对刀具磨损区域进行了能谱分析,同时研究了激光超声复合切削硬质合金时PCBN刀具的磨损及其对工件表面质量的影响。最后,与常规切削、超声振动切削及激光加热辅助切削进行了对比试验。结果表明:激光超声复合切削时刀具使用寿命显著增加,加工后的工件表面粗糙度平均值分别降低了79%、60%和64%,且工件表面更加平整光滑。激光超声复合切削硬质合金时,PCBN刀具的前刀面磨损表现为平滑且均匀的月牙洼磨损,后刀面磨损表现为较窄的三角形磨损带和较浅的凹坑和划痕;刀具的失效机理主要为黏接磨损、氧化磨损和磨粒磨损的综合作用。

超声椭圆振动精密切削

传统超声振动切削加工中刀具后刀面与工件已加工表面的高频摩擦使刀具承受交变拉压应力,导致刀具疲劳崩刃。超声椭圆振动切削技术使刀具以椭圆振动轨迹对工件进行切削,避免了刀具后刀面与已加工表面的摩擦,有效抑制了刀具的崩刃破损;同时,将刀具前刀面与切屑之间有害的摩擦力变为有利的切削力,增加了刀具的剪切角,降低了切削过程中的吃刀抗力,提高了加工精度。