SiCp/Al复合材料高速加工性及加工失效去除机理研究

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SiCp/Al复合材料作为一种颗粒增强金属基复合材料,具有高比强度和比模量,优良的导热性和耐磨性,其轻质高强特性使其在航空航天、国防军工及电子封装等领域有着广阔的应用前景,其在高附加值领域的依赖于精密加工技术,但目前SiCp/Al复合材料在机械加工中仍存在着加工成本高和表面质量差的难题,随近年来机床技术的进步,高速加工技术应用逐渐广泛,这为该材料的精密高效加工提供了一种新的技术手段。本文旨在探究SiCp/Al复合材料的高速加工性及加工失效去除机理,从而为该材料的高效精密制造提供一定的理论依据,主要研究内容如下:(1)首先,将部分铸态SiCp/Al复合材料分别进行退火和T6热处理,随后对经不同热处理的复合材料进行高速正交铣削实验,通过分析切削速度和进给量对切屑形态、切削力、切削能耗、表面质量的影响,总结了复合材料的高速加工性。研究表明,复合材料经不同热处理,其机械物理性能和动力学响应存在差异,在相同加工条件下加工性也存在一定差异,但都表现出随切削速度提高,切屑连续程度降低,切削力和单位切削能耗下降;同时进给量提高,切削力呈非线性增加,而单位切削能耗降低;加工表面平均粗糙度和加工硬化随切削速度和进给量增加而降低。因此,高速加工条件下,SiCp/Al复合材料表现出更好的加工性。(2)其次,基于实验所得的复合材料加工表面形貌,通过有限元模拟,对表面上存在的凹坑、划痕、颗粒破碎和基体撕裂等表面缺陷的形成进行解释,研究了不同刀具-颗粒相对位置下的颗粒失效行为。研究表明,SiC颗粒失效为微裂纹的形成和扩展过程,不同刀具-颗粒相对位置下应力场及刀具-颗粒接触力的差异是颗粒产生不同失效行为的重要原因。(3)最后,通过建立考虑SiCp/Al复合材料微观结构和材料损伤的有限元切削模型,研究了切屑的动态形成过程和应力应变场,分析了复合材料的切屑形成机制以及加工表面形貌。研究表明SiCp/Al复合材料切屑形成过程为基体材料的局部剪切变形和SiC颗粒失效,加工中复合材料的非匀质微观结构导致局部区域存在非均匀变形和应力集中,颗粒失效受刀具-颗粒相对位置和基体材料变形的影响,存在直接和间接失效方式,颗粒失效是造成复合材料表面形貌缺陷的重要原因。
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