SiCf/SiC复合材料钻削加工及刀具几何参数优化试验研究

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碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料(SiCf/SiC复合材料),具有低密度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高硬度、低氚渗透率和优异的辐照稳定性等优点。SiCf/SiC复合材料作为典型的难加工硬脆材料,在加工中存在加工质量不高,加工精度差,加工成本大,效率低等问题,这些问题都在一定程度上制约了其在工程领域的广泛应用。SiCf/SiC复合材料钻削制孔相对于磨削制孔效率更高,成本更低,但是因为材料的高耐磨性和高韧性使得钻削过程中钻头易发生磨损,从而增加生产成本,所以有必要对刀具进行优化,在合理的加工参数下降低钻削力,提高制孔质量。本文主要采用试验的方法,在常规的加工环境下,探讨钻削SiCf/SiC复合材料的刀具选择、钻削加工工艺参数的选择、不同的刀具几何参数与工件材料之间的切削力变化规律、刀具参数的优化以及制孔缺陷评价方案等一系列问题。首先,开展了不同的刀具下SiCf/SiC复合材料的钻削试验,结果表明:在低转速低进给的情况下,硬质合金刀具因磨损严重不适合加工,金刚石涂层、硬质合金基体刀具加工效果较好。然后,分析不同钻削参数对SiCf/SiC复合材料入口处的钻削温度、钻削轴向力以及钻孔质量的影响。结果表明:在主轴转速不变时,随着进给量的增加,轴向力呈现上升的趋势。当进给量不变时,随着主轴转速增加,轴向力呈现下降的趋势。在进给量不变的条件下,随着主轴转速的增加,钻削温度随之升高。在主轴转速不变的条件下,随着进给量的增加,钻削温度呈现先下降后上升的趋势。其次,刀具几何参数也是影响加工质量的关键因素。选择刀具顶角、螺旋角、后角作为影响因子,轴向力作为观察指标设计正交试验,并对钻孔质量进行分析,结果表明:螺旋角对轴向力的影响最大,其次是顶角,后角影响最小。孔缺陷形式主要是孔径精度,孔出口毛刺,层间孔洞以及孔壁的纤维拔出。再次,基于对制孔缺陷的分析,建立了一套SiCf/SiC复合材料钻削制孔的缺陷评价方案。通过对单一缺陷进行评价,然后以此为基础提出总体评估缺陷的综合评价方案,对未来加工SiCf/SiC复合材料时可以有效控制缺陷提供基础。最后,为了得到最适合加工的刀具参数,采用BP神经网络和GA遗传算法相结合的方法,对刀具参数进行优化,得到的结果经试验验证后与实际相符,证明了优化方法的准确性。
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