超声激励下的SiCp_AL铣削机理及表面质量研究

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1、；ＴＧ６６３分类号单位代码：１０１１０学号：Ｂ１５０２００３辦一＿ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｆＣｈｉｎａ博士学位论文超声激励下的ＳｉＣＰ／ＡＬ铣削机理及表面质量研究憶士研究生王兴立．－严”师聊—一…＿‘—Ｊ＿晒：—灣分类号：TG663单位代码：10110学号：B1502003中北大学博士学位论文超声激励下的SiCp/AL铣削机理及表面质量研究博士研究生王兴文指导教师祝锡晶教授学科专业机械设计及理论2018年5月28日图书分类号TG663密级非密注1UD

2、C621博士学位论文超声激励下的SiCp/AL铣削机理及表面质量研究王兴文指导教师（姓名、职称）祝锡晶教授申请学位级别工学博士专业名称机械设计及理论论文提交日期2018年4月5日论文答辩日期2018年5月28日学位授予日期年月日论文评阅人苏宏华、丁文锋、寇子明、权龙、马立峰、李瑞琴、辛志杰答辩委员会主席寇子明2018年5月28日注1：注明《国际十进分类法UDC》的分类号Ph.D.DissertationSiCp/ALMillingMechanismandSurfaceQualityunderUltrasonicExcitati

3、onBy:WangXingwenSupervisor:ZhuXijingNorthUniversityofChina2018-5-28中北大学学位论文超声激励下的SiCp/AL铣削机理及表面质量研究摘要铝基复合材料具有质量轻、硬度高等特点，广泛应用于航空航天、电子、军事等领域，但由于基体与增强相物理性质有较大差异，加工时存在切削不稳定、切削力大、表面质量较差等缺点，制约着复合材料的应用与发展。振动切削的应用在一定程度上改善了上述缺点，但研究主要集中在振动车削、振动磨削领域，振动铣削方面研究较少。本论文通过对工件施加超声激励，实

4、现对SiCp/AL复合材料的超声铣削，在此基础上，系统的研究了超声激励下SiCp/AL复合材料铣削机理及加工后材料的表面质量，为SiCp/AL材料的超声铣削加工提供一定的理论和技术支持。为了论述方便，本文在未特别说明的情况下，所提的超声铣削均为工件超声振动辅助立铣。本文研究的主要内容有：（1）超声铣削运动学分析；（2）超声铣削实验系统的建立；（3）超声铣削SiCp/AL铣削力建模及其影响因素研究；（4）超声振动对材料裂纹扩展影响的研究；（5）超声铣削SiCp/AL表面质量研究。基于运动学理论，通过分析工件超声振动的运动轨迹，研

5、究了超声铣削中的分离速度特性、分离进给特性、冲击特性，通过对不同铣削参数和振幅的超声铣削运动轨迹仿真分析，研究超声铣削特性与运动轨迹之间的关系，结果表明：当超声铣削的实际速度特性为M<1，进给特性为fz<2A，?为奇数，可以实现超声振动分离式铣削，并且超声铣削的动能比普通铣削动能大。搭建了超声振动实验系统，实现了工件沿切向方向的超声振动加工。对比分析PCD(Polycrystallinediamond)刀具和YG类刀具进行超声铣削加工的磨损情况，确定采用PCD刀具更有利于SiCp/AL铣削机理的研究。通过对超声铣削SiCp/A

6、L复合材料过程的研究分析，得出在超声铣削铣SiCp/AL时，切削力主要由切屑形成力、SiC断裂破碎力、超声冲击力、摩擦力组成；建立了超声铣削SiCp/AL铣削力数学模型，具体分析研究了各铣削参数及超声振幅对铣削力的影响，通过实验验证了数学模型的正确性。研究表明：合理的配置铣削速度、每齿进给量及超声I中北大学学位论文振幅等参数，可以降低铣削过程中的铣削力。基于非局部理论下材料断裂韧性的理论研究，从微观力学和能量的角度，分析了超声振动对材料的裂纹产生及扩展的影响，实验对比超声铣削和普通铣削加工SiCp/AL复合材料的表面微观结构，

7、研究表明：超声加工过程中材料的等效硬度降低，断裂韧性增加，从微观方面论证了超声铣削力小于普通铣削力，工件亚表面的表面密度和平整性超声铣削好于普通铣削。对比分析超声铣削和普通铣削后槽底和槽侧的表面粗糙度，通过多因素实验和方差分析对粗糙度的影响因素进行研究。研究表明：超声铣削对底槽表面的粗糙度产生负面影响，对侧槽表面的粗糙度产生正面影响；超声铣削时，粗糙度取决于主轴转速、每齿进给量、超声振幅等因素的综合作用，合理的选取各种参数组合，可以获得较理想的表面粗糙度值。通过对比分析了超声铣削和普通铣削中材料的宏观和微观形貌，研究表明：在超

8、声振动中，刀尖轨迹的改变，使槽底表面形成鳞片形状，工件振动增加了切削区的熨压的频率和面积。建立了超声振动立铣SiCp/AL复合材料时槽底和槽侧表面粗糙度的预测模型，并分别对模型进行了理论和实验验证，得出该模型可以定性分析加工表面粗糙度的趋势，对预测和估计材料的粗糙度有实际的指