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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

马国红 张加力 闫帆 施訸曦 刘莉

马国红, 张加力, 闫帆, 施訸曦, 刘莉. 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[J]. 制造技术与机床, 2024, (4): 51-56. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.008
引用本文: 马国红, 张加力, 闫帆, 施訸曦, 刘莉. 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[J]. 制造技术与机床, 2024, (4): 51-56. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.008
MA Guohong, ZHANG Jiali, YAN Fan, SHI Hexi, LIU Li. Finite element analysis of cutting process and surface formation of SiCp/Al composites under conventional and ultrasonic vibration assisted conditions[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (4): 51-56. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.008
Citation: MA Guohong, ZHANG Jiali, YAN Fan, SHI Hexi, LIU Li. Finite element analysis of cutting process and surface formation of SiCp/Al composites under conventional and ultrasonic vibration assisted conditions[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (4): 51-56. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.008

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

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.008
基金项目: 山西省面上青年基金项目(201901D211289);山西省高等学校科技创新项目资助(2019L0639);太原科技大学科研启动基金资助(20182039);恶劣环境下智能装备技术山西省重点实验室开放研究基金(202104010910020)
详细信息
    作者简介:

    马国红,男,1987年生,博士,副教授,研究方向为深孔加工技术。E-mail:mgh266088@163.com

    通讯作者:

    张加力,男,1999年生,硕士研究生,研究方向为深孔加工技术。E-mail:13399273693@163.com

  • 中图分类号: TH164,TB333

Finite element analysis of cutting process and surface formation of SiCp/Al composites under conventional and ultrasonic vibration assisted conditions

  • 摘要: 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。

     

  • 图  1  有限元模型分布

    图  2  超声振动辅助切削模拟过程

    图  3  常规切削模拟过程

    图  4  常规切削条件下工件被刀具切削形貌

    图  5  超声振动辅助切削条件表面缺陷变化过程

    图  6  超声振动辅助切削条件下工件尾部切削过程

    图  7  材料亚表面形貌

    表  1  Al的物理性质及J-C本构参数

    材料特性 参数 材料特性 参数
    $ \rho /( $t/mm3$ ) $ 2.81×10−9 C 0.024
    $ E/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 71 700 m 1.56
    $ \mathrm{\mu } $ 0.33 $ {T}_{m} $ 600
    $ C/(\mathrm{m}\mathrm{J}/ $t·$ \mathrm{K}) $ 9.6×108 $ {T}_{r} $ 20
    热膨胀/(1/ ℃) 2.36×10−5 $ {d}_{1} $ −0.068
    热导率/(mW/(m·K)) 173 $ {d}_{2} $ 0.451
    A 546 $ {d}_{3} $ −0.952
    B 678 $ {d}_{4} $ 0.036
    n 0.71 $ {d}_{5} $ 0.697
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    表  2  SiC的物理性质及JH-2本构参数

    材料特性 参数 材料特性 参数
    $ \rho /( $t/mm3$ ) $ 3.2×10-9 $ T/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 0.75
    G 193 000 D 0
    A 0.96 $ {\sigma }_{\max}^{i}/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 12.2
    N 0.65 $ {\sigma }_{\max}^{f}/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 1.3
    B 0.35 $ HEL/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 11.7
    M 1.0 $ {P}_{HEL}/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 5.13
    C 0.009 $ \beta $ 1.0
    $ {K}_{1}/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 220 $ {D}_{1} $ 0.48
    $ {K}_{2}/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 361 $ {D}_{2} $ 0.48
    $ {K}_{3}/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 0 $ {\varepsilon }_{f,\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}^{pl} $ 0.0
    $ {\varepsilon }^{\cdot } $ 1.0 $ \varepsilon_{f,\mathrm{m}\mathrm{ax}}^{pl} $ 1.2
    $ \mathrm{F}\mathrm{S} $ 0.2
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    表  3  Cohesive内聚模型本构参数

    材料特性 参数 材料特性 参数
    $ \rho /({\mathrm{t}}/{\mathrm{mm}}^3) $ 2.8×10−9 $ {t}_{n}/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 3 770
    $ {E}_{nn}/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 2.642×108 $ {t}_{s}/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 2 760
    $ {E}_{ss}/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 1.49×108 $ {t}_{t}/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 2 760
    $ {E}_{tt}/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 1.49×108 $ \mathit{{J}}/ ({\mathrm{mJ}}/{\mathrm{mm}}^2)$ 4.74×10−3
    $ {H}_{EF}/\mathrm{m}\mathrm{m} $ 0.001
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  • 录用日期:  2024-01-11
  • 修回日期:  2023-10-16

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