碳化硅陶瓷超声振动运动轨迹以及磨削力建模

为了研究在磨削过程中超声振动对于加工的影响，现对单颗磨粒运动轨迹进行了数学理论模型以及仿真，并且在单颗粒运动学仿真的基础上，建立了超声振动磨削碳化硅的力学模型，结果表明：随着超声振动的加入，单位时间内磨粒运动轨迹长度也随之增加；在所选工艺参数范围内，高砂轮转速以及高超声振动频率能有效降低磨削力，小进给速度和小磨削切深度也能有效降低磨削力，加入了超声振动之后，磨削力下降幅度最高达到21.1%。

与传统的高温合金材料相比，碳化硅陶瓷由于其耐高温性和耐腐蚀性等优良物理性能，被认为是航空航天工业中很有前途和有竞争力的材料。然而，碳化硅陶瓷也因其坚硬、脆性和各向异性的特点，是典型的难加工材料。为实现在碳化硅磨削过程中材料低损伤高效率的去除，许多学者进行了实验探索和建模不同过程的陶瓷基复合材料，发现其力学规律，为改善表面质量和减少工具磨损做出了巨大贡献。

Ding 等[1]比较了碳化硅复合材料中有超声振动的制孔和无超声振动的制孔之间的差异，结果表明， 超声振动使力和扭矩分别降低了23%和47.6%。Wang 等[2]分析了碳化硅超声振动钻孔过程中超声振动与研磨力的关系。结果表明，通过调整超声波振动频率，可以降低刀具磨损和磨削力，提高表面加工质量。Diaz 等[3]观察了SiCf/SiC 复合材料的加工表面，并分析了残余应力的形成原理。结果表明，纤维区域存在残余拉伸应力， 基体区域存在残余压缩应力。

Dong 等[4]在碳纤维增强碳化硅陶瓷制孔实验中加入了超声振动，结果发现随着超声振动的加入，制孔效率以及表面质量得到了进一步的提高，并且发现超声振动会导致单晶粒与材料之间的力学特性发生变化。

Feng 等[5]揭示了工艺参数对碳化物超声研磨过程中研磨力的影响。结果表明，超声波振动可以降低磨削力，而磨削力主要受进料速率的影响。

Wang 等[6]提出了一种新的倾斜螺旋孔铣削方法，应用于碳纤维增强塑料制孔，并将该方法与传统的螺旋孔铣削方法在理论上进行了比较。结果表明，该方法有利于去除切屑和降低切削力。他们还发现，该方法可以改善孔壁面光洁度， 抑制缺陷， 包括入口分裂和出口分层。

Geng 等人[7]将超声振动磨削技术应用于CFRP， 结果表明，与传统的制孔方法相比，轴向力和侧向力显著降低，并改善了分层和表面粗糙度。Zhang 等人[8]通过理论建立了材料在不同失效模式的临界失效载荷，并结合有限元分析，分析了芯支柱的长度和芯角以及面板厚度等几何参数对失效模式的影响，结果表面C/SIC 材料内部晶粒堆叠对材料损伤有显著影响。Zhou 等人[9]通过测量磨粒的突出高度和晶粒密度等表面特性，建立整个磨削区域的磨削力模型， 验证了磨粒运动轨迹对磨削加工质量的影响。

本文建立了超声振动磨削碳化硅中单晶粒运动轨迹，并在MATLAB 中对运动轨迹进行仿真，并且建立了材料去除的力学模型，分析不同磨削工艺参数对力的影响。

2. 运动轨迹建模 碳化硅超声振动磨削如图1 所示。这个过程包括四种运动模式：砂轮绕孔轴的旋转运动，砂轮绕孔轴的旋转运动，磨轮轴向进给运动、超声波振动运动。多重运动的叠加使单晶粒的运动轨迹变得复杂。

当工艺参数发生变化时，单个晶粒与工件之间的相对运动和相互作用也会发生变化。因此，通过对单晶粒运动轨迹的建模、模拟和分析，可以阐明加工过程中单晶粒与工件之间的相互力关系。并为研磨力模