SiC陶瓷旋转超声振动套磨制孔有限元仿真及实验研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.012

摘要/Abstract

摘要： 为解决SiC陶瓷加工时容易出现崩边、裂纹等问题，结合仿真与实验对其进行旋转超声振动套磨制孔技术研究。根据SiC陶瓷宏观力学本构模型，建立SiC陶瓷制孔仿真有限元模型并进行加工过程仿真分析，相比常规制孔，超声振动制孔的仿真轴向力最大可减小26.1%。常规加工和超声振动加工的对比实验研究表明，旋转超声振动加工可减小轴向力达32.9%，可大幅减少陶瓷材料脆性断裂，显著改善孔壁表面质量。有限元仿真与实验研究所得的轴向力在超声振动下最大相差7.5%，常规条件下两者最大相差14%，验证了有限元模型的正确性。仿真和实验研究结果表明：超声振动加工可显著减小轴向力和刀具磨损、提高刀具耐用度、改善制孔质量、降低加工成本。

关键词: SiC陶瓷, 旋转超声振动, 套磨制孔, 有限元仿真

Abstract: In order to solve the problems of edge chipping and cracking in the machining of SiC ceramics， a combination of simulation and experiment was used to study the technology of grinding holes in the rotary ultrasonic vibration trepanning drilling. According to the macroscopic mechanics constitutive model of SiC ceramics， the finite element models for the SiC ceramic hole making simulation were established and the simulation analysis of the machining processes was carried out. Compared with the conventional hole making， the simulation axial forces of the ultrasonic vibration hole making may be reduced by 26.1%. The comparative experimental study of conventional machining and ultrasonic vibration machining shows that rotary ultrasonic vibration machining may reduce the axial force by 32.9%， greatly reduce the brittle fracture of ceramic materials， and significantly improve the surface quality of the hole walls. Under ultrasonic vibration conditions， the maximum difference between the axial force values obtained by finite element simulation and experimental research is as 7.5%， and the maximum difference under normal conditions is as 14%， which verifies the correctness of the finite element model. Simulation and experimental results show that ultrasonic vibration machining may significantly reduce axial forces and tool wear， improve tool durability， improve hole quality， and save machining costs.

Key words: SiC ceramic, rotating ultrasonic vibration, trepanning grinding hole, finite element simulation

中图分类号:

董香龙, 郑雷, 宋春阳, 吕冬明, 徐苏柏, 韦文东, 秦鹏. SiC陶瓷旋转超声振动套磨制孔有限元仿真及实验研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(17): 2107-2114.

DONG Xianglong, ZHENG Lei, SONG Chunyang, LYU Dongming, XU Subai, WEI Wendong, QIN Peng. Finite Element Simulation and Experimental Study of Grinding Holes of SiC Ceramic Rotary Ultrasonic Vibration Trepanning Drilling[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(17): 2107-2114.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.17.012

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2022/V33/I17/2107

参考文献

［1］ZHENG L， ZHANG C， DONG X L， et al. Study on Hole Machining for the Constant Feed Rate of Al2O3 Engineering Ceramics through Low-frequency Axial Vibration［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers—Part B：Journal of Engineering Manufacture， 2020， 234（6/7）：971-979.
［2］GAO C， WU G R， WANG S. Drilling Mechanism Investigation on SiC Ceramic Using Diamond Bits［J］. The Open Mechanical Engineering Journal， 2017， 11：25-36.
［3］SINGH R P， SINGHAL S. Investigation of Machining Characteristics in Rotary Ultrasonic Machining of Alumina Ceramic［J］. Materials and Manufacturing Processes， 2017， 32（3）：309-326.
［4］ZHENG L， WEI W D， FENG Y， et al. Drilling Machinability of Engineering Ceramics under Low-frequency Axial Vibration Processing by Sintering/Brazing Composite Diamond Trepanning Bit［J］. Ceramics International， 2019， 45（9）：11905-11911.
［5］丁凯，傅玉灿，苏宏华，等. C/SiC复合材料组织对磨削力与加工表面质量的影响［J］. 中国机械工程， 2013， 24（14）：1886-1890.
DING Kai， FU Yucan， SU Honghua， et al. Effect of C/SiC Material Structure on Grinding Force and Machined Surface Quality［J］. China Mechanical Engineering， 2013， 24（14）：1886-1890.
［6］KLIUEV M， MARADIA U， BOCCADORO M， et al. Experimental Study of EDM-drilling and Shaping of SiSiC and SiC［J］. Procedia CIRP， 2016， 42：191-196.
［7］WANG H J， LIN H T， WANG C Y， et al. Laser Drilling of Structural Ceramics—a Review［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2017， 37（4）：1157-1173.
［8］吴国荣，高超，王生. 电镀金刚石钻头加工碳化硅陶瓷的试验研究［J］. 兵器材料科学与工程， 2017， 40（1）：46-50.
WU Guorong， GAO Chao， WANG Sheng. Drilling SiC Ceramics with Electroplated Diamond Bit［J］. Ordnance Material Science and Engineering， 2017， 40（1）：46-50.
［9］ZHENG L， HUAN H X， ZENG Y， et al. A Study on the Failure Mechanism and Wear Loss of Impregnated Diamond Bits during Machining Process of Armor Ceramics［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2018， 32（1）：261-268.
［10］ZHENG L， WEI W D， DONG X L， et al. Microscopic Wear Study of the Sintered Diamond Trepanning Drill during Machining Alumina Armor Ceramics［J］. Ceramics International， 2019， 45（3）：3986-3994.
［11］冯平法，王健健，张建富，等. 硬脆材料旋转超声加工技术的研究现状及展望［J］. 机械工程学报， 2017， 53（19）：3-21.
FENG Pingfa， WANG Jianjian， ZHANG Jianfu， et al. Research Status and Future Prospect of Rotary Ultrasonic Machining of Hard and Brittle Materials［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2017， 53（19）：3-21.
［12］ANKIT S， VIVEK J， DHEERAJ G. Characterization of Chipping and Tool Wear during Drilling of Float Glass Using Rotary Ultrasonic Machining［J］. Measurement， 2018， 128：254-263.
［13］POPLI D， GUPTA M. A Chipping Reduction Approach in Rotary Ultrasonic Machining of Advance Ceramic［J］. Materials Today：Proceedings， 2018， 5（2）：6329-6338.
［14］TANG X， LIU Y， SHI S， et al. Development of a Novel Ultrasonic Drill Using Longitudinal-bending Hybrid Mode［J］. IEEE Access， 2017， 99（5）：7362-7370.
［15］WANG J J， ZHANG J F， FENG P F， et al. Damage Formation and Suppression in Rotary Ultrasonic Machining of Hard and Brittle Materials：a Critical Review［J］. Ceramics International， 2018， 44（2）：1227-1239.
［16］李巾锭，任成祖，吕哲，等. 单颗粒金刚石平面磨削C/SiC复合材料的有限元仿真［J］. 材料科学与工程学报， 2014， 32（5）：686-689.
LI Jinding， REN Chengzu， LYU Zhe， et al. Finite Element Simulation of Single Diamond Abrasive Surface Grinding C/SiC［J］. Journal of Materials Science and Engineering， 2014， 32（5）：686-689.
［17］王秀奇，张凤林，陈梦，等. 工程陶瓷在金刚石工具取孔加工中出口崩边的有限元分析［J］. 超硬材料工程， 2013， 25（3）：20-24.
WANG Xiuqi， ZHANG Fenglin， CHEN Meng， et al. FEA of Edge Chipping in the Boring of Engineering Ceramic by Diamond Tool［J］. Superhard Material Engineering， 2013， 25（3）：20-24.
［18］米召阳，梁志强，王西彬，等. 基于光滑粒子流体动力学法单颗磨粒超声辅助磨削陶瓷材料的磨削力仿真研究［J］. 兵工学报， 2015， 36（6）：1067-1073.
MI Zhaoyang， LIANG Zhiqiang， WANG Xibin， et al. A Simulation Investigation on Grinding Force in Ultrasonic Assisted Grinding of Ceramics with Single Abrasive Grain by Using SPH Method［J］. Acta Armamentarii， 2015， 36（6）：1067-1073.
［19］马廉洁，田俊超，陈杰，等. 基于ABAQUS的工程陶瓷单颗磨粒磨削仿真［J］. 装备制造技术， 2015（11）：1-2.
MA Lianjie， TIAN Junchao， CHEN Jie， et al. Simulation of Single Grain Grinding Engineering Ceramics Based on ABAQUS［J］. Equipment Manufacturing Technology， 2015（11）：1-2.
［20］仲冬维. SiC陶瓷单颗粒刻划磨粒磨损特性仿真及实验研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨理工大学， 2020.
ZHONG Dongwei. Simulation and Experimental Study on Abrasive Wear Characteristics of Single Particle Gringing SiC Ceramic［D］. Harbin：Harbin University of Science and Technology， 2020.
［21］于腾飞. 双磨粒磨削碳化硅陶瓷仿真与试验研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2018.
YU Tengfei. Numerical and Experimental Research on Double-grains Gringing Silicon Carbide Ceramics［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018.
［22］王健健. 陶瓷基复合/硬脆材料旋转超声制孔损伤机理与抑制策略［D］. 北京：清华大学， 2017.
WANG Jianjian. Damage Mechanism and Suppression Strategy of Rotary Ultrasonic Drilling in Ceramic Matrix Composites / Hard Brittle Materials［D］. Beijing：Tsinghua University， 2017.
［23］李哲，王新，张毅，等. CFRP超声振动套磨钻孔高效排屑机理和实验［J］. 北京航空航天大学学报， 2020， 46（1）：229-240.
LI Zhe， WANG Xin， ZHANG Yi， et al. High Efficiency Chip Removal Mechanism and Experiment of CFRP Ultrasonic Vibration Sleeve Grinding Drilling［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2020， 46（1）：229-240.

[1]	石岩松, 路菲, 周志刚, 贲小康. 转子倾斜状态下的指尖密封动态性能[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 126-134.
[2]	杨洪基, 陈杰, 李卓然, 赵昀皓, 赵京. 一种飞行器口盖连接的柔性楔块机构设计与力特性分析及试验[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2670-2677.
[3]	高祥冲, 刘培君, 陈换过, 彭程程, 宋树家, 林子竣. 斜逆断层作用下的油气管道应变极值表征方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2801-2809.
[4]	韩济远, 张嘉豪, 展勇, 张鸿羿, 曲东越. 船用柴油机机体主轴承孔镗削加工残余应力预测[J]. 中国机械工程, 2025, 36(08): 1883-1892.
[5]	牛延昭1, 刘宏伟1, 宋亚丽2, 朱祥龙1, 黄佳美2, 康仁科1. 基于有限元模拟的螺栓退刀槽滚压轮优化及试验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1214-1221.
[6]	洪猛杰, 陈卓, 周嘉怡, 王海旭, 王建宇, 黄国钦. 钎焊金刚石铣磨头加工Cf/SiC复合材料微孔的试验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(03): 391-397.
[7]	宋鹏飞1, 2, 曹秒艳1, 2, 付敏1, 2, 崔亚硕1, 2, 李云峰1, 2, 刘政1, 2. 超声振动软化Johnson-Cook模型建立及薄管卷边实验验证[J]. 中国机械工程, 2024, 35(12): 2106-2113，2121.
[8]	惠生猛1, 毛晓博4, 湛利华1, 2, 3. 铝锂合金回弹预测的机器学习及有限元仿真与实验[J]. 中国机械工程, 2024, 35(12): 2114-2121.
[9]	付君健1, 2, 4, 蒙永根1, 吴海华1, 胡欢3, 李响1, 2, 周祥曼1, 2. 离散组装八面体超材料设计与性能调控[J]. 中国机械工程, 2024, 35(12): 2268-2279.
[10]	吴慧, 李晓高, 沈国浪, 王兴国, 马成文. 基于超声导波技术的双层粘接结构界面质量检测[J]. 中国机械工程, 2024, 35(05): 916-927.
[11]	张科, 汪小凯, 华林, 韩星会, 宁湘锦, . 超大型环件径轴向轧制过程偏移机理及自适应模糊控制方法研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(01): 109-117.
[12]	陶双全, 郝小忠, 杨子剑, 刘舒霆. CF/PEEK复合材料自阻电热原位膜混合加热固化方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(22): 2748-2754.
[13]	秦勤, 王文智, 张升, 臧勇. 连铸轻压下过程极限压下量及工艺参数分析[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1972-1982.
[14]	刘伟, 毛国安, 严灿, 李博鑫, . 多孔钎焊砂轮的制备及SiC陶瓷磨削试验研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(15): 1787-1793.
[15]	刘纯琨, 丁晓红, 倪维宇, 李官运. 仿真与实测多信息融合的机械结构外载荷反演技术[J]. 中国机械工程, 2022, 33(06): 639-646，655.