复合材料SiCp/Al微铣削去除机理及表面质量研究

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颗粒增强型金属基复合材料在克服单种材料性能缺陷的同时保持各组分的优点,因此被广泛应用于航空航天、精密电子等领域。但由于增强相与基体相间力学性能差异,脆性的SiC颗粒很难与Al基体协同产生塑性变形,故SiCp/Al复合材料加工性能较差,在加工过程中易在加工表面产生孔洞、裂纹等加工缺陷,加工后表面质量很难控制,微铣削有利于实现SiC颗粒的塑性去除,提高表面质量。本文针对SiCp/Al复合材料难加工、微观非均质的特性,构建微铣削力学模型,建立三相微铣削有限元模型并通过微铣削实验验证其合理性,基于有限元模型对材料去除机理及表面三维形貌研究,最后进行SiCp/Al复合材料的表面质量评价,实现SiCp/Al复合材料表面优化。首先,针对微铣削加工特性构建SiCp/Al复合材料微铣削力学模型,进行实验确定相关系数,研究工艺参数对铣削力的影响。发现SiCp/Al复合材料微铣削过程中切削力主要由Al基体材料的犁耕力和剪切力,SiC颗粒增强相的破碎力及摩擦力组成;较高的主轴转速n、较低的每齿进给量fz、适中的切削深度ap可降低切削力。其次,基于SiCp/Al复合材料微铣削力学模型,利用Abaqus仿真软件建立具有增强相、基体相与界面相的三相颗粒随机分布模型进行切削仿真。研究发现,内聚力模型能够有效地描述界面相力学性能,模拟增强相颗粒与基体相的脱粘;在SiCp/Al复合材料切削中,Al基体的塑性应变会导致切削力缓慢上升,但由于SiC颗粒增强相破碎,界面脱粘等因素,导致了切削力的骤变。然后,基于三相切削模型进行有限元仿真,对材料微铣削去除机理及加工表面三维形貌进行研究。结果显示,界面相对SiCp/Al复合材料微铣削表面缺陷形成影响较大,缺陷形式主要有界面开裂、表面凹坑、颗粒断裂、基体涂覆、颗粒脱粘等;SiC颗粒增强相与切削路径的相对位置直接影响了切削过程;在较低的主轴转速n与每齿进给量fz,适中的切削深度ap时表面形貌一致性较好。最后,研究微铣削工艺参数对表面质量的影响规律,实现SiCp/Al复合材料表面质量优化。结果表明,较高的主轴转速n、适中的每齿进给量fz及切削深度ap可以获得较低的表面粗糙度;较低的主轴转速n与每齿进给量fz,较高的切削深度ap可以获得较大的表面残余压应力与表面硬度;实现最优表面质量的参数组合为:ap=20μm,n=15000r/min,fz=1.5μm;切削深度ap及每齿进给量fz对加工表面质量的影响高度显著,而主轴转速n的影响不显著;低温环境对SiCp/Al复合材料铣削加工适用性较差。
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