SiCp/Al基复合材料切削参数仿真及实验研究

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碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高的比刚度和比模量以及耐磨损、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的物理力学性能,已广泛应用于航空航天、汽车、电子封装以及体育器材等领域。但SiCp/Al复合材料中因为SiC增强颗粒的存在,导致其具有较差的机械加工性能,使得复合材料的发展与应用受到阻碍,因此研究SiCp/Al复合材料的切削加工过程,对推动复合材料在各个领域的应用具有重要价值。本文使用大型商用有限元软件ABAQUS对SiCp/Al复合材料切削过程进行仿真分析,通过深入研究有限元方法的基本思想、有限元分析的基本步骤以及有限元建模的关键技术,基于有限元法从宏观和微观两个角度建立仿真模型,宏观模型即对SiCp/Al复合材料整体定义性质,微观模型即分开定义SiC增强颗粒和Al基体的属性。在两种模型基础上,分别研究了切削深度和切削速度对切削力的影响趋势,分析了应力场分布情况。同时,在微观模型基础上,模拟了切屑的形成过程,研究了颗粒和基体的内部应力分布、刀具与颗粒之间的相互作用,分析了已加工表面缺陷形成的原因。为了验证两种仿真模型的正确性与有效性,在CA6140A机床进行了SiCp/Al复合材料车削实验。结果表明:实验所得切削速度和切削深度对切削力的影响规律与两种仿真模型所得结果基本一致,进而验证了有限元模型的正确性。研究结果表明:切削SiCp/Al复合材料过程中,切削力随着切削深度增加而显著增大,随着切削速度增大而略微减小;从微观模型模拟结果可以发现,切削过程中,颗粒的应力分布明显高于基体,且最大应力主要分布在SiC颗粒和Al基体的界面处,SiCp/Al复合材料的失效是从碳化硅颗粒周围所形成的空隙开始的,且SiC颗粒的剥离、移动和翻转都会使复合材料已加工表面形成缺陷。
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