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工程陶瓷旋转超声钻削效率的有限元分析

朱文博  
【摘要】: 在工程结构上使用的陶瓷称为工程陶瓷,它具有一系列优越的物理、化学和生物性能,目前已用于电子、宇航、汽车等领域,而且不断向新的领域发展。但由于工程陶瓷固有的脆性、较小的线膨胀系数及高硬度,造成了对其加工困难,加工成本高,难以实现高精度、高效率、高可靠性的加工。旋转超声加工是有别于传统加工方式的加工方法,在对工程陶瓷的加工中具有传统加工方式所不具有的优点,如加工精度高、能降低表面粗糙度及延长刀具寿命等等。工程陶瓷的旋转超声加工的材料去除是脆性断裂和塑性变形综合作用的结果,其中脆性断裂为主要的材料去除方式。但由于旋转超声加工是建立在材料微去除的基础上的,所以它的加工效率比较低。 在本课题中,将基于旋转超声加工的加工机理,利用有限元分析方法来分析加工过程中材料去除的效率,对钻削过程,尤其是陶瓷材料在磨粒冲击过程中的脆性断裂,进行计算机仿真。 首先根据陶瓷材料断裂力学,结合已有的粘结定律模型,研究陶瓷材料在磨粒冲击下的断裂过程,并合理选择陶瓷材料和粘结模型所需的材料参数。 然后在ABAQUS中,用的脚本编译接口对陶瓷材料模型进行修改,将粘结单元(Cohesive Element)插入已划分好网格的陶瓷材料三维模型的局部区域,设置合理的分析条件进行有限元分析,观察在磨粒冲击下陶瓷材料中裂纹的出现和扩展情况。 最后结合ABAQUS中参数化建模功能,根据已有的实验参数,选择不同的超声振幅、静压力以及工程陶瓷材料,研究旋转超声加工的效率与这些参数的关系。


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