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超声加工铝蜂窝芯的数值模拟与试验研究

吴楠 张立强 杨杰 卢立成 刘钢

吴楠, 张立强, 杨杰, 卢立成, 刘钢. 超声加工铝蜂窝芯的数值模拟与试验研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(3): 240-249. doi: 10.12299/jsues.23-0190
引用本文: 吴楠, 张立强, 杨杰, 卢立成, 刘钢. 超声加工铝蜂窝芯的数值模拟与试验研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(3): 240-249. doi: 10.12299/jsues.23-0190
WU Nan, ZHANG Liqiang, YANG Jie, LU Licheng, LIU Gang. Numerical simulation and experimental study of ultrasonic machining of aluminum honeycomb core[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(3): 240-249. doi: 10.12299/jsues.23-0190
Citation: WU Nan, ZHANG Liqiang, YANG Jie, LU Licheng, LIU Gang. Numerical simulation and experimental study of ultrasonic machining of aluminum honeycomb core[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(3): 240-249. doi: 10.12299/jsues.23-0190

超声加工铝蜂窝芯的数值模拟与试验研究

doi: 10.12299/jsues.23-0190
基金项目: 国家自然科学基金资助(51775328)
详细信息
    作者简介:

    吴楠:吴 楠(1998−),男,硕生士,研究方向为复合材料数控装备与工艺。E-mail:nason@sues.edu.cn

    通讯作者:

    张立强(1979−),男,教授,博士,研究方向为航空航天智能制造技术、复合材料数控装备与工艺。E-mail:zhanglq@sues.edu.cn

  • 中图分类号: TG456

Numerical simulation and experimental study of ultrasonic machining of aluminum honeycomb core

  • 摘要: 铝蜂窝在使用传统加工技术加工时容易受损。为提高铝蜂窝加工表面质量,建立铝蜂窝超声加工切削力数学模型和仿真计算模型,研究网格尺寸对仿真结果的影响,确定合适的网格尺寸,并分析不同加工参数下的切削力和表面形貌。综合评价后选用0.2 mm的网格进行仿真模拟,结果表明随着进给量、主轴转速和切削宽度数值分别增大,加工损伤明显呈下降趋势。研究结果为铝蜂窝超声辅助加工的数值模型、仿真和试验提供了基础。
  • 图  1  蜂窝芯超声加工过程

    Figure  1.  Cutting process of ultrasonic cutting honeycomb core

    图  2  单个蜂窝壁的切削特性

    Figure  2.  Cutting behavior of single honeycomb core wall

    图  3  蜂窝芯超声切削局部示意图

    Figure  3.  Local cutting process of ultrasonic machining of honeycomb core

    图  4  铝蜂窝芯

    Figure  4.  Aluminum honeycomb core

    图  5  超声加工试验设备

    Figure  5.  Ultrasonic machining experimental equipments

    图  6  工件测量装置

    Figure  6.  Measuring equipment for workpiece

    图  7  铝蜂窝芯超声加工过程

    Figure  7.  Ultrasonic machining of aluminum honeycomb core

    图  8  0.5 mm网格时蜂窝芯超声切削力仿真

    Figure  8.  Ultrasonic simulation of aluminum honeycomb core with a mesh size of 0.5 mm

    图  9  网格尺寸为0.1~0.4 mm时切削力分量

    Figure  9.  Cutting force components of ultrasonic simulation with a mesh size between 0.1 to 0.4 mm

    图  10  不同网格尺寸下的切屑形貌

    Figure  10.  Chip morphology of ultrasonic simulation

    图  11  0.2 mm网格下的表面形貌

    Figure  11.  Surface morphologies with a mesh of 0.2 mm

    图  12  不同进给量下的应力云图、切削力和表面形貌

    Figure  12.  Stress nephogram, cutting force and surface morphology under different feed rates

    图  13  不同主轴转速下的应力云图、切削力和表面形貌

    Figure  13.  Stress nephogram, cutting force and surface morphology under different spindle speeds

    图  14  不同切削宽度下的应力云图、切削力和表面形貌

    Figure  14.  Stress nephogram, cutting force and surface morphology under different cutting widths

    表  1  蜂窝细胞结构参数

    Table  1.   Structure parameters of aluminum honeycomb core

    蜂窝细胞结构参数数值
    细胞尺寸c/mm4.7
    单层细胞厚度t/mm0.0
    细胞边长a/mm1.37
    细胞边长b/mm1.37
    胞壁角度$ \mathrm{\phi } $/(°)120
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    表  2  Al5052的力学性能

    Table  2.   Mechanical properties of Al5052

    属性符号单位数值
    密度$ \rho $${\rm{kg}}/{{\rm{m}}}^{3}$2680
    弹性模量${\rm{GPa}}$70.3
    泊松比0.33
    比热J/(kg·℃ )930
    参考温度${T}_{{\rm{r}}}$${\rm{K}}$293
    熔化温度${T}_{{\rm{m}}}$${\rm{K}}$903
    屈服应力$ A $${\rm{MPa}}$92.4
    硬化模量$ B $${\rm{MPa}}$132
    应变率敏感常数$ C $0.02511
    参考应变率$ {\dot{\stackrel{-}{\varepsilon }}}_{0} $${{\rm{s}}}^{-1}$1
    硬化指数$ n $0.25
    热软化指数$ m $1
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    表  3  Al5052的损伤参数

    Table  3.   Damage parameters of Al5052

    参数$ {D}_{1} $$ {D}_{2} $$ {D}_{3} $$ {D}_{4} $$ {D}_{5} $
    数值0.3060.0446−1.720.00560.0
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    表  4  单因素试验参数

    Table  4.   Machining parameters for single-factor experiments

    变量水平
    进给速度f/(mm·min−1)500,1000,1500,2000
    主轴转速n/(r·min−1)500,600,700,800
    切削宽度ae/mm4,6,8,10
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    表  5  不同网格尺寸的仿真耗时

    Table  5.   Simulation time consumption of different mesh sizes

    网格尺寸/mm耗时/h
    0.123.50
    0.22.50
    0.32.01
    0.41.09
    0.50.85
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-31
  • 刊出日期:  2024-09-30

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