23、超声加工磨料形状与铝合金铰孔特性研究

超声加工磨料形状与铝合金铰孔特性研究

超声加工中磨料形状对材料去除和磨损的影响

在超声加工（USM）过程中，磨料浆特性对加工效果影响很大。以往研究多关注磨料尺寸、材料和浓度的影响，而磨料形状的研究相对较少。下面将通过光滑粒子流体动力学（SPH）模拟和实验，来探究磨料形状对材料去除和磨料磨损的影响。
- SPH模拟方法 ：使用ANSYS AUTODYN中的SPH处理器构建模拟模型。模拟条件如下表所示：
| 模拟条件 | 详情 |
| ---- | ---- |
| 磨料形状 | 卵形、半球形 |
| 磨料材料 | Al₂O₃、SiC |
| 磨料体积 | 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 |

模型中，振动工具用拉格朗日求解器构建，磨粒用SPH求解器建模，工件基底则结合了SPH和拉格朗日求解器。为减小模型规模和计算时间，采用四分之一对称的三维模型。
- SPH模拟结果 ：通过模拟得到了不同磨料作用下工件的裂纹扩展情况。不同类型磨料会使工件产生不同程度的断裂。SiC磨料会使工件产生中位裂纹，而Al₂O₃磨料仅在工件表面附近产生浅裂纹。磨料形状对裂纹扩展也有很大影响，半球形磨料使工件的断裂程度更大。例如，半球形SiC磨料产生的裂纹深度可达5 µm，而卵形SiC磨料产生的裂纹深度仅为3.8 µm。不同磨料的磨损情况也不同，SiC磨料更抗破碎，所有情况下磨料的冲击位置磨损都很严重。以下是不同情况下工件的断裂体积（Vₛ）