编号：FTJS107380
篇名： 陶瓷基纤维复合材料旋转超声辅助加工方法研究
作者： 宫涛
关键词： 旋转超声辅助加工; 工艺参数; 正交试验; 轴向力; 边缘破损;
机构：景德镇陶瓷大学
摘要： 陶瓷基纤维复合材料作为一种高性能复合材料,凭借其优异的耐高温性、高强度、低导热率及抗腐蚀性,已成为航空航天、能源、国防等高端领域的关键材料。随着制备技术的突破已经逐渐成为研究热点。然而随着高精密加工的要求,传统加工方式难以满足工艺要求,加工中常出现切削力大和切削温度高引起的加工效率低和加工质量差等问题,引入旋转超声辅助加工技术则可以有效解决。现有研究多集中于碳化硅基复合材料,针对硅酸铝基氧化铝纤维体系,其结构导致的超声振动耦合作用机制尚不明确,且旋转超声加工工艺研究较为缺乏,为进一步分析引入超声后的材料去除机理,研究旋转超声轴向振动与金刚石磨粒运动轨迹的协同作用机制和旋转超声辅助加工工艺的作用规律,对以硅酸铝基氧化铝纤维复合材料为代表的脆硬性材料的去除机理和加工工艺进行了深入研究,通过理论分析、模型仿真、实验验证等研究方法开展以下具体研究内容: (1)建立旋转超声辅助制孔加工单颗磨粒的运动轨迹方程,利用MATLAB进行运动轨迹仿真,直观了解加工过程和磨粒的运动情况。在此基础上,分析最有相位差出现位置及优化意义,同时基于压痕断裂力学理论分析超声对裂纹成核、扩展和脆塑转变临界深度等的影响,分析材料的去除机理。并建立轴向切削力模型,探究工艺参数对加工过程的影响规律,为旋转超声辅助加工工艺实验提供理论基础。 (2)通过有限元软件进行单颗磨粒对工件材料加工的仿真模拟,结合基体模型、纤维模型和磨粒模型多相耦合动态模拟纤维与基体的应力应变分布及损伤演化过程,系统揭示不同工艺参数下材料去除机理与表面缺陷形成机制。为优化难加工纤维复合材料的加工工艺提供了一定依据。 (3)以轴向力和表面形貌为评价指标,在材料去除量相同的情况下,设计单因素对比实验和四因素五水平正交试验。研究各个工艺参数对陶瓷基纤维复合材料加工质量的影响规律,为高效率和高质量加工提供了可靠依据。 (4)设计等水平无交互作用的正交试验方案,通过边缘破损尺寸与工艺参数映射关系,构建了边缘破损多元回归预测模型和基于BP神经网络的预测模型,并设置验证实验分析预测模型的准确性,根据实验数据建立工艺参数敏感度变化图分析加工参数对边缘破损的影响程度,对陶瓷基纤维复合材料质量提高、加工成本降低和加工效率提高提供有效技术支撑。