23、超声加工与铝合金铰孔工艺研究

超声加工与铝合金铰孔工艺研究

超声加工中磨粒形状对材料去除和磨损的影响

在超声加工（USM）过程中，磨粒特性对加工效果有着显著影响。以往研究多关注磨粒尺寸、材料和浓度，而磨粒形状的影响却鲜有涉及。下面从模拟和实验两方面展开研究。

SPH模拟方法

利用ANSYS AUTODYN中的SPH处理器构建模拟模型，该软件常用于解决非线性动力学问题。模拟条件如下表所示：
|参数|详情|
| ---- | ---- |
|磨粒形状|卵形、半球形|
|磨粒材料|Al₂O₃、SiC|
|磨粒体积|116 µm³|
|工件材料|浮法玻璃|
|工具材料|SS304|
|穿透深度|1 µm|
|计算时间|5 µs|

构建具有相同体积的卵形和半球形磨粒模型，分别代表实际USM中棱角状和圆形磨粒。每个模型包含用Lagrange求解器构建的振动工具、用SPH求解器建模的一个磨粒，以及用SPH和Lagrange求解器构建的工件基底。为减小模型尺寸和计算时间，采用四分之一对称的三维模型。

graph LR
    A[振动工具] --> B[磨粒]
    B --> C[工件基底]

SPH模拟结果

模拟模型在Z - X平面的横截面视图显示，不同类型磨粒会使工件基底产生不同程度的裂纹。使用较硬的SiC磨粒时，无论形状如何，都会有中位裂纹向工件材料内部扩展；而使用Al₂O₃磨粒时，不会出现中位裂纹，仅在工件表面附近产生浅裂纹。