由于大量高硬度增強(qiáng)相Si C顆粒的存在,高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅（Si Cp/Al）復(fù)合材料的機(jī)械加工十分困難。旋轉(zhuǎn)超聲加工被認(rèn)為是加工這種材料的有效方法。通過(guò)超聲輔助劃痕試驗(yàn),分析高體積分?jǐn)?shù)Si Cp/Al復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲銑磨加工的材料去除機(jī)理。在超聲振動(dòng)的作用下,材料中鋁基體發(fā)生塑性變形,其表面得到夯實(shí);Si C增強(qiáng)相被錘擊成細(xì)小的顆粒而發(fā)生脫落,形成較大的空洞。由于材料加工的缺陷大多產(chǎn)生于Si C顆粒的去除過(guò)程中,Si C顆粒的去除方式對(duì)加工表面的質(zhì)量起著決定性的作用,選擇合適的工藝參數(shù)可以有效提高加工表面質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)超聲加工工藝特征試驗(yàn)表明,超聲振動(dòng)可有效降低切削力;主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向切削力的影響最大,其次是進(jìn)給速度,切削深度對(duì)軸向切削力的影響較小;另外主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量的影響效果也最大,并隨主軸轉(zhuǎn)速的增大表面粗糙度增大。因此在加工過(guò)程中,可以適當(dāng)加大切削深度,在保證加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上,選擇較大的進(jìn)給速度,在保證刀具壽命的前提下,選擇合適的主軸轉(zhuǎn)速,以獲得較優(yōu)的加工表面質(zhì)量和加工效率。 

【文章來(lái)源】：機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2017,53(19)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

超聲輔助劃痕試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

在壓頭的軸向上疊加了超聲振動(dòng)，用以模擬旋轉(zhuǎn)超聲加工中單磨粒的切削過(guò)程。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。金剛石壓頭被裝夾在超聲主軸上，實(shí)現(xiàn)壓頭的切向劃痕運(yùn)動(dòng)和軸向超聲振動(dòng)。鋁基碳化硅工件通過(guò)夾具安裝在測(cè)力儀(Kistler9256C2)上，通過(guò)千分表來(lái)調(diào)節(jié)工件的水平性，確保工件處于水平面上，調(diào)節(jié)工件一邊的高度，確定劃痕深度。劃痕載荷通過(guò)測(cè)力儀、電荷放大器和計(jì)算機(jī)被記錄下來(lái)，用以劃痕試驗(yàn)的起始校準(zhǔn)和過(guò)程檢測(cè)。圖1超聲輔助劃痕試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖試驗(yàn)在德國(guó)DMG公司生產(chǎn)的Ultrasonic50旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床上進(jìn)行，如圖2所示。機(jī)床內(nèi)通過(guò)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻電振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)超聲波換能器轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)壓頭上的變幅桿將機(jī)械振動(dòng)的振幅放大，實(shí)現(xiàn)金剛石壓頭的超聲振動(dòng)。試驗(yàn)中采用的是自制的金剛石壓頭，壓頭的錐角為60°，壓頭頂部圓弧半徑為100μm。試驗(yàn)所使用的工件尺寸為30mm×20mm×5mm，材料的體積分?jǐn)?shù)為56%。試驗(yàn)前將工件表面拋光至表面粗糙度100nm。試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察劃痕表面形貌。關(guān)閉超聲作用，可進(jìn)行普通劃痕試驗(yàn)。試驗(yàn)中金剛石壓頭的劃痕深度為0～30μm；劃痕速度為24000mm/min；金剛石壓頭的超聲振動(dòng)頻率為18.85kHz；劃痕的長(zhǎng)度為20mm。圖2超聲輔助劃痕試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

月2017年10月查慧婷等：高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲銑磨加工的試驗(yàn)研究1091.2材料去除機(jī)理分析在超聲輔助劃痕試驗(yàn)中，單顆粒金剛石壓頭一方面做直線運(yùn)動(dòng)，另一方面做軸向超聲振動(dòng)，這樣金剛石壓頭的運(yùn)動(dòng)軌跡方程和運(yùn)動(dòng)速度方程為sin2π2πcos2πyzytvtztAftvtvvtfAft(1)式中，y、z分別為壓頭劃痕方向和超聲振動(dòng)方向；v是劃痕速度；A是金剛石壓頭的超聲振幅；f是機(jī)床超聲波發(fā)生器的振動(dòng)頻率。其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。圖3金剛石壓頭的軌跡圖由此可知，區(qū)別于傳統(tǒng)的劃痕試驗(yàn)，金剛石壓頭除了在前進(jìn)方向上有一個(gè)恒定的速度外，在軸向上還存在一個(gè)正弦變化的振動(dòng)速度。這就使得金剛石磨粒與材料的相互作用發(fā)生變化，不僅存在劃擦、耕犁等作用，還存在著軸向的錘擊作用。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察劃痕表面形貌發(fā)現(xiàn)，如圖4a所示，在超聲振動(dòng)輔助劃痕的表面形貌中，鋁基體表面十分平整，SiC顆粒發(fā)生破碎而脫落，表面存在很多凹坑。然而在普通劃痕中鋁基體發(fā)生圖4劃痕表面形貌的SEM圖黏附，碳化硅顆粒發(fā)生層斷，如圖4b所示。由此可知，在超聲振動(dòng)的作用下，材料中鋁基體發(fā)生塑性變形，其表面得到夯實(shí)；而SiC顆粒被錘擊成細(xì)小的顆粒而發(fā)生脫落。超聲輔助狀態(tài)下，鋁基體的表面質(zhì)量得到明顯提高。圖5超聲振動(dòng)輔助劃痕過(guò)程中的劃痕力圖5為超聲振動(dòng)輔助劃痕過(guò)程中的軸向劃痕力和切向劃痕力。從圖中可以看出，軸向劃痕力明顯大于切向劃痕力，切向力的減小降低了壓頭對(duì)材料的推擠作用，這使得加工后的鋁基體表面更為平整，而減小了其黏附作用。由于鋁基碳化硅中存在性質(zhì)截然不同的兩相材料，即彈塑性的鋁基體相和硬脆性的SiC相，在金剛石磨粒前進(jìn)過(guò)程中，會(huì)遇到以下幾種情況?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]鋁基碳化硅復(fù)合材料的超聲輔助磨削加工工藝研究[D]. 蘇闊.大連理工大學(xué) 2012



本文編號(hào)：3012207