【摘 要】
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颗粒增强铝合金复合材料具有低密度、比强度高、导热性好、耐腐蚀、抗疲劳能力强、耐蠕变性和耐磨的特点。铸造铝合金不需要大型的辅助加工设备,具有节约金属、降低成本、缩短工时等优点,因此铸造铝合金多用于活塞制造。但原有铸造铝合金在实际工作环境下抗磨性还有很大的提升空间。本文完成了颗粒增强铸造铝合金复合材料的制备,在环-块摩擦磨损试验机（MM-200）完成了颗粒随机分布增强铸造铝合金（ZL109）的摩擦磨损
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颗粒增强铝合金复合材料具有低密度、比强度高、导热性好、耐腐蚀、抗疲劳能力强、耐蠕变性和耐磨的特点。铸造铝合金不需要大型的辅助加工设备,具有节约金属、降低成本、缩短工时等优点,因此铸造铝合金多用于活塞制造。但原有铸造铝合金在实际工作环境下抗磨性还有很大的提升空间。本文完成了颗粒增强铸造铝合金复合材料的制备,在环-块摩擦磨损试验机（MM-200）完成了颗粒随机分布增强铸造铝合金（ZL109）的摩擦磨损试验,得到了不同质量分数增强颗粒的复合材料的摩擦系数和磨损率数据。建立了磨损有限元模型,验证了模型的合理性。建立不同体积分数增强铸造铝合金的二维正交切削仿真模型,并完成了切削仿真模拟和结果分析。基于Archard磨损方程,在宏观磨损下磨损深度与摩擦载荷和滑移距离之间的函数关系并不是线性的,对环-块接触摩擦几何模型磨损深度与滑移距离之间的关系进行了计算。在进行磨损仿真计算时,可根据得到的关系对磨损深度进行适当的调整使得仿真结果更接近实验结果。将Al2O3颗粒与铸造铝合金粉末进行物理混合均匀后,冷压成铸造铝锭在真空中频感应炉中进行熔炼,熔炼过程中真空度为-0.01MPa,熔炼时的最大功率不超过15KW,熔炼完成后,取样通过在扫描电镜进行金相组织观察发现采用上述方法制备的颗粒增强铝合金复合材料中增强颗粒分布较好。实验发现加入增强颗粒的铝合金在50N的实验载荷下,颗粒含量为2wt.%和4wt.%时磨损率较低,最低磨损率为2.03×10-5mm~3N-1m-1,当颗粒含量继续增加到8wt.%时,复合材料的磨损率又呈现上升的趋势,这是由于当颗粒含量增加时,在摩擦载荷作用下,颗粒大量脱落造成三体磨损,进一步加剧了磨损程度。基于大型通用有限元分析软件ABAQUS软件灵活的子程序接口程序,建立环-块摩擦磨损模型,对环-块摩擦磨损过程进行了有限元仿真。仿真过程为了使磨损过程中单元节点能够在指定的方向上进行更新,采用UMESHMOTION子程序接口完成摩擦磨损仿真,通过提取磨损仿真结束时的接触面积计算磨痕的宽度,加入颗粒之后的铝合金的磨痕宽度与摩擦磨损实验宽度数值吻合较好,证明了所建立的磨损模型的合理性。建立不同含量增强颗粒铸造铝合金二维正交切削模型,采用ABAQUS/Explicit求解器对相同切削参数条件下不同含量颗粒铸造铝合金的切削加工进行了仿真模拟。通过仿真分析发现颗粒含量增加能够促使切屑断裂,有效防止切屑对已加工表面的破坏。同时,切削路径上的颗粒对切削力有着明显的影响,具体表现为刀尖与颗粒接触时吃刀抗力增大。
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