超声振动辅助铣磨三维针刺C/SiC复合材料加工工艺研究

摘要

C/SiC复合材料是以碳化硅为基体，碳纤维为增强相所组成的一种新型复合材料，具有高比强、高比模、耐高温及高温化学稳定性等一系列优良性能，目前已在各大尖端领域得到了广泛应用。然而作为典型难加工材料的代表，强度高、硬度大及材料各向异性等特点导致其在普通加工中面临许多难题。据此本文将超声振动技术引入到传统加工之中，分别在C/SiC复合工件材料上施加沿进给方向的水平振动与垂直工件表面的纵向振动，通过对磨削力、加工缺陷、刀具磨损以及表面粗糙度等进行对比研究，得出超声振动辅助铣磨更有利于改善C/SiC复合材料的加工表面质量。该研究结果对C/SiC复合难加工材料的高性能切削加工具有理论指导意义和工程应用价值。
　　基于普通铣磨单颗磨粒轨迹建立了三种超声振动辅助铣磨单颗磨粒的运动学表达式，通过Matlab模拟磨粒的运动轨迹，对比研究了三种不同振动方式下的磨削特性，探索了最佳单向振动方式。研究表明沿进给方向振动辅助铣磨与纵向振动辅助铣磨均能实现刀具与材料的断续加工，是C/SiC复合材料的理想加工方式。同时对单颗磨粒不同加工方式下铣磨C/SiC复合材料进行仿真分析，得出沿进给方向超声振动辅助铣磨和纵向超声振动辅助铣磨均能降低磨削过程中的磨削力，同时两种振动辅助铣磨下，磨削效果均得到了提高，沿进给方向振动侧重磨削应力的降低，而纵向振动在提高表面质量上表现更为突出。
　　设计了沿进给方向超声振动辅助铣磨、纵向超声振动辅助铣磨与普通铣磨C/SiC复合材料的对比实验，对三种加工方式下的磨削力进行了实验研究，并讨论了三向磨削力随各磨削要素的变化规律。结果表明，两种超声振动辅助铣磨加工下的磨削力均明显小于普通铣磨加工，且沿进给方向超声振动辅助铣磨时磨削力降低更显着，这与仿真结果相一致。磨削力与各磨削要素之间的关系为:提高主轴转速，三向磨削力降低;增大进给速度与磨削深度，三向磨削力增大;而在一定范围内增大超声振幅可以降低磨削力，但振幅继续增大反而会导致磨削力呈上升的趋势。
　　通过对沿进给方向超声振动辅助铣磨、纵向超声振动辅助铣磨与普通铣磨三种加工方式后的C/SiC复合材料表面缺陷及刀具磨损情况进行分析，得出两种超声振动辅助铣磨不仅能减少加工缺陷，获得良好的表面质量，还能有效改善加工刀具的磨损情况，延长刀具的寿命。
　　通过三种不同加工方式下的单因素实验和纵向超声振动辅助铣磨下的响应曲面实验，研究了C/SiC复合材料加工后的表面粗糙度变化情况。实验结果表明，两种超声振动辅助铣磨均可降低加工表面粗糙度，且纵向超声振动降低的更显着。提高主轴转速，表面粗糙度降低;增大进给速度与磨削深度，表面粗糙度增加;一定程度上增大超声振幅可以降低表面粗糙度。同时得出各磨削要素对表面粗糙度影响重要程度依次为:磨削深度最大，主轴转速次之，进给速度再次之，超声振幅影响最小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 C／SiC复合材料的特点及应用

1．1．1 C／SiC复合材料的特点

1．1．2 C／SiC复合材料的应用现状

1．2 C／SiC复合材料加工研究现状

1．3 超声振动辅助切削技术研究现状

1．4 C／SiC复合材料加工存在的问题

1．5 本文研究目的意义及主要研究内容

1．5．1 研究目的意义

1．5．2 主要研究内容

第2章 超声振动下单颗磨粒运动学分析及有限元仿真

2．1 引言

2．2 垂直于进给方向超声振动辅助铣磨运动学分析

2．2．1 单颗磨粒轨迹方程的建立

2．2．2 垂直进给方向超声振动对磨粒运动轨迹的影响

2．3 沿进给方向超声振动辅助铣磨运动学分析

2．3．1 单颗磨粒轨迹方程的建立

2．3．2 沿进给方向超声振动对磨粒运动轨迹的影响

2．4 纵向超声振动辅助铣磨运动学分析

2．4．1 单颗磨粒轨迹方程的建立

2．4．2 纵向超声振动对磨粒运动轨迹的影响

2．5 单颗磨粒铣磨C／SiC复合材料仿真研究

2．5．1 C／SiC复合材料损伤准则

2．5．2 磨粒与磨屑接触模型

2．5．3 建模与仿真参数设置

2．5．4 仿真结果及分析

2．6 本章小结

第3章 超声振动对铣磨C／SiC复合材料磨削力的影响

3．1 引言

3．2 C／SIC复合材料加工切削力的实验研究

3．2．1 实验条件

3．2．2 实验方案

3．2．3 切削力对比分析

3．2．4 加工参数对三向磨削力的影响

3．3 本章小结

第4章 超声振动对C／SiC复合材料铣磨缺陷的影响

4．1 引言

4．2 铣磨C／SiC复合材料加工表面的微观缺陷分析

4．2．1 普通铣磨下的微观缺陷

4．2．2 超声振动对铣磨表面微观缺陷的影响

4．2．3 磨屑形貌分析

4．3 铣磨C／SiC复合材料加工表面的宏观缺陷分析

4．3．1 普通铣磨下的宏观缺陷

4．3．2 超声振动对表面宏观缺陷的影响

4．4 超声振动对刀具磨损的影响

4．5 本章小结

第5章 超声振动对铣磨C／SiC复合材料表面粗糙度的影响

5．1 引言

5．2 C／SiC复合材料表面粗糙度单因素实验研究

5．2．1 单因素实验方案

5．2．2 单因素实验结果及分析

5．3 基于响应曲面法的纵向振动辅助铣磨C／SiC复合材料实验

5．3．1 响应曲面法实验方案

5．3．2 表面粗糙度预测模型的建立及验证

5．3．3 交互作用对表面粗糙度的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及奖励

致谢