陶瓷基复合材料轴向超声振动辅助磨削磨削力研究

【作者】 项超； 陈涛； 李红博； 王启涵；

【机构】 武汉理工大学机电工程学院；

【摘要】 C/Sic陶瓷基复合材料是以碳化硅为基体,碳纤维为增强体所组成的一种新型复合材料,具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温等优良特性,被广泛的应用到航空航天、汽车刹车材料等各大尖端领域。作为硬脆材料的代表,普通加工方式加工过程中刀具磨损严重,表面质量差,同时伴随着毛刺、崩边等加工缺陷,传统加工方式已经难以适应陶瓷基复合材料的二次加工。为了克服复合材料难加工的问题,将轴向超声振动引入到普通磨削中,以期在保证优良的表面质量的同时降低磨削力。基于普通铣磨单颗磨粒运动轨迹建立了轴向超声振动辅助铣磨单颗磨粒的运动表达式,运用Matlab模拟磨粒的运动轨迹,对比分析了超声振动方式和普通磨削方式下磨粒磨削特性的异同。结果表明,相同磨削参数下,轴向超声振动辅助磨削磨粒的运动弧长远大于普通磨削方式,这也揭示了相同工艺参数下超声辅助磨削方式的材料去除率要大于普通磨削方式。基于压痕断裂力学,建立了单颗磨粒的材料去除率表达式,进而建立了C/Sic复合材料在脆性去除方式下的材料去除率模型和磨削力模型。该模型可以精确计算某一工艺参数下材料的磨削力,同时可以从理论上分析主轴转速、进给速度、磨削深度、超声振幅等参数对磨削力的影响规律,为实际加工过程中减小磨削力、减小刀具磨损、提高表面质量提供了理论依据。理论分析后,利用Abaqus有限元仿真软件建立了陶瓷基复合材料二维切削仿真模型,对陶瓷基复合材料复杂的内部材料进行解耦,建立纤维横向、纤维纵向、纤维法向三种典型的材料模型进行轴向超声辅助磨削有限元仿真。仿真过程中用Hashin失效准则描述C/Sic复合材料的失效过程,详细定义了纤维在拉伸载荷作用下的破裂、纤维在压缩载荷作用下的屈曲和扭结,基体的横向拉伸断裂和压溃破碎。仿真结果表明,当磨粒与纤维接触角度较小(0°≤q≤90°)时,工件材料在刀具的挤压作用下被压碎;当磨粒与纤维接触角度较大(θ≥90°)时,磨粒与工件材料接触区会出现应力集中;纤维角度越大,更容易出现面下损伤。从理论和仿真两方面出发,详细分析了陶瓷基复合材料超声辅助磨削磨削力影响因素,进一步揭示了C/Sic复合材料的加工机理,为实际工程加工陶瓷基复合材料提供了理论依据和借鉴意义。更多还原