【摘 要】
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石墨烯（Gr）是一种性能优异的新材料,其具有高比强度、高弹性模量,是已知发现材料中导电率、导热率最高的材料之一,被认为是一种未来革命性的材料,在很多领域获得应用。尤其是作为新型的增强相在复合材料制造领域被大量推广使用。本文将石墨烯作为增强相,使其与Al-Si合计粉末和少量的Cu、Mg粉末充分混合,制备石墨烯增强多元金属基新型复合材料——石墨烯/铝硅（Gr/Al-18Si-4Cu-Mg）复合材料。由
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石墨烯（Gr）是一种性能优异的新材料,其具有高比强度、高弹性模量,是已知发现材料中导电率、导热率最高的材料之一,被认为是一种未来革命性的材料,在很多领域获得应用。尤其是作为新型的增强相在复合材料制造领域被大量推广使用。本文将石墨烯作为增强相,使其与Al-Si合计粉末和少量的Cu、Mg粉末充分混合,制备石墨烯增强多元金属基新型复合材料——石墨烯/铝硅（Gr/Al-18Si-4Cu-Mg）复合材料。由于石墨烯对金属基体的强化作用,加之硬质Si颗粒以及金属间化合物Al2Cu、Mg2Si的存在,造成在切削Gr/Al-18Si-4Cu-Mg复合材料时存在多种因素耦合。导致切削效率低下、加工表面质量难以控制和切削性能差,限制了在工业上的应用。本文通过粉末冶金法制备不同石墨烯质量分数的Gr/Al-18Si-4Cu-Mg复合材料。使用金相显微镜、XRD衍射仪,观察发现在Gr/Al-18Si-4Cu-Mg复合材料中Al是基体相,Si颗粒弥散分布于基体中,金属间化合物Al2Cu和Mg2Si是沉淀强化相并且较多沿晶界分布。并且对比加入不同质量分数的石墨烯发现,适量的石墨烯能有效细化硬质颗粒。通过对Gr/Al-18Si-4Cu-Mg复合材料的力学性能及物理性能的测试,探讨石墨烯的添加量对宏观力学的影响。根据Johnson-Cook热力耦合公式,定义了切屑分离准则和摩擦模型,建立Gr/Al-18Si-4Cu-Mg复合材料三维有限元仿真模型。在主轴转速n=1100r/min、进给量f=250mm/min、切削深度ap=1.4mm时,对石墨烯质量分数为0.5%的复合材料进行了仿真。对切屑挤压及分离过程进行了分析,结果表明切削力仿真结果与实验结果具有较好的一致性。研究了切削参数与铣削力的关系、石墨烯含量的变化对切削力的波动程度和切屑形态的影响规律。实验结果表明:随着主轴转速的增大铣削力降低;铣削力随着铣削深度和进给量的增大而增大;在正交铣削实验的基础上建立了高速钢铣削Gr/Al-18Si-4Cu-Mg复合材料的铣削力经验公式。在n=900r/min,f=200mm/min,ap=1.1mm切削条件下,对比不同石墨烯含量Gr/Al-18Si-4Cu-Mg复合材料,计算数据表明适量的石墨烯可以减小铣削力的波动,使得铣削过程变得更为平缓;并且在相同切削条件下,随石墨烯含量的增加切屑形貌由带状-节状-粒状的改变。研究了主轴转速、铣削深度、进给量对表面粗糙度Ra的影响规律。随着主轴转速的增大表面粗糙度值会呈现下降的趋势;铣削深度对表面粗糙度值影响并不大;但进给速度对表面粗糙值影响极为敏感,表面粗糙度值随进给速度的增大而增大。
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