Ｔ８００ 碳纤维增强复合材料精密切削加工机理

以正交切削试验为手段ꎬ研究Ｔ８００ ＣＦＲＰ 在小切削余量条件下的切削加工过程和表面形成规

律ꎬ深入探讨了ＣＦＲＰ 在精密切削加工中的切削取向、切削参数范围以及刀具刃口钝圆半径等几个关键问题ꎮ

试验结果表明:ＣＦＲＰ 在切削加工中表现出极为显著的各向异性ꎬ切削取向非常重要ꎬ０°和１３５°两个纤维方向

上获取了较小的切削力ꎬ０°和９０°两个纤维方向上形成了较为光滑、平整的表面质量ꎮ 在精密削ＣＦＲＰ 的场合ꎬ

为获得较小的切削力并得到较好的加工表面质量ꎬ０°纤维方向角是最佳切削方向ꎬ切削速度应达到２００ ｍ/ ｍｉｎ

以上ꎬ要选择较小的刀具刃口钝圆半径ꎬ切削厚度应大于刀具刃口钝圆半径。

     

ＹＧ 刀具与７０５０ 铝合金加工性能匹配研究

以７０５０ 铝合金为研究对象ꎬ使用ＹＧ３ 和ＹＧ６ 两种刀具对其进行切削试验ꎮ 试验结果表明:ＹＧ３

刀具切削力和表面粗糙度值高于ＹＧ６ 刀具ꎬＹＧ６ 切削表面形貌明显优于ＹＧ３ 刀具ꎬ说明ＹＧ６ 刀具与７０５０ 铝

合金加工性能匹配性好ꎮ

     

聚醚酰亚胺对Ｔ７００/ 环氧复合材料的增韧技术

采用聚醚酰亚胺(ＰＥＩ)对Ｔ７００/ 环氧复合材料进行增韧改性ꎮ 实验结果表明ꎬＰＥＩ 改性后环氧树

脂复合材料的韧性得到显著提高ꎬ力学性能和Ｔｇ 都稍有下降ꎻ在强度满足要求的前提下ꎬＰＥＩ 含量在２０ｗｔ％

时ꎬ所得复合材料的韧性最好ꎬＧＩＣ达到５９３.６ Ｊ/ ｍ２ꎮ。

     

Ｔｉ－Ｓｉ－Ｂ４ Ｃ－Ｃ 系的燃烧反应机理

针对Ｔｉ－Ｓｉ－Ｂ４Ｃ－Ｃ 反应体系ꎬ在进行热力学分析的基础上ꎬ采用燃烧合成法制备了复相陶瓷粉

体ꎬ采用ＸＲＤ、ＳＥＭ 对反应产物的物相和组织结构进行表征ꎬ探讨了燃烧反应机理ꎮ 研究结果表明ꎬ所制备复

相陶瓷由Ｔｉ３ＳｉＣ２、ＴｉＢ２、ＴｉＣ 三相组成ꎬ其质量分数分别为４４.２％、２７.９％、２７.９％ꎮ ＴｉＢ２相以棱角分明的颗粒形

态存在ꎬＴｉＣ 相以不规则的球形颗粒存在ꎬ两种颗粒弥散分布于具有典型层状结构Ｔｉ３ＳｉＣ２基体中ꎮ Ｔｉ－Ｓｉ－Ｂ４ＣＣ

体系反应机理可以概括为Ｔｉ 与Ｃ 的燃烧反应、Ｔｉ－Ｓｉ 熔体的形成、Ｂ 的还原与Ｔｉ３ ＳｉＣ２ 的合成、ＴｉＢ２ 的生成与

长大四个基本过程ꎮ

     

ＥＰ－ＰＩ 及ＢＭＩ－ＰＥＳ 的反应诱导相分离

研究了ＥＰ / ＰＩ 和ＢＭＩ/ ＰＥＳ 两种ＴＳ/ ＴＰ 共混体系的反应诱导相分离过程及形貌结构ꎮ 采用相差

显微镜原位研究了反应诱导相分离的过程ꎬ发现分相初期形成了均匀的相结构ꎻ随着相分离的发展ꎬ一定浓度

区域样品中的双连续结构经过演化发展ꎬ分相后期样品内部与边缘的形貌不一致ꎮ 通过对固化后样品断面的

ＳＥＭ 观察ꎬ发现在ＴＰ 浓度很低时形成海岛结构ꎬ当ＴＰ 浓度稍高ꎬ样品形成了核壳结构ꎬ在样品边缘和与基板

接触的上下等外侧形成了ＴＳ 的富集区ꎬ只有极少量的ＴＰ 分散颗粒存在ꎻ在样品的中间ꎬＴＳ 和ＴＰ 形成双连续

结构ꎬ其中ＴＰ 富集相具有细丝状的网络特征ꎮ 分析认为ꎬＥＰ 和ＢＭＩ 为热固性树脂ꎬ初始样品为小分子ꎬ在反

应开始时表现为流体ꎬ为快组分ꎻＰＩ 和ＰＥＳ 为典型的热塑性聚合物ꎬ它们的黏弹性特征随着相分离的发展越来

越显著ꎬ即Ｔｇ以下为玻璃态ꎬＴｇ以上表现出弹性、黏弹性特征ꎬ为慢组分ꎮ 在反应分相过程中ꎬ由于ＴＰ 富集相

缠结网络的松弛慢于相分离的速度ꎬ因此ＴＰ 富集相网络的整体收缩不可避免ꎬ在ＴＰ 与ＴＳ 动力学极不对称的

作用之下ꎬ初始均匀的双连续结构最终发展为核壳结构ꎮ

     

ＳｉＢＡｌＯＮ 陶瓷前驱体的制备与裂解

以聚铝氧烷为铝源ꎬ聚硼硅氮烷兼作硼源和硅源ꎬ共混得到ＳｉＢＡｌＯＮ 陶瓷前驱体ꎬ经高温裂解得

到ＳｉＢＡｌＯＮ 陶瓷ꎮ 采用ＴＧＡ 和ＸＲＤ 对ＳｉＢＡｌＯＮ 前驱体的裂解行为及陶瓷产物晶相结构进行表征ꎮ 结果表

明ꎬＡｌ 的引入降低了陶瓷的结晶温度ꎬ当陶瓷中的Ａｌ 含量为１０ｗｔ％时ꎬ１ ３００℃ 处理后析出β－Ｓｉ３ Ｎ４ 晶体ꎬ１

５００℃时ꎬ陶瓷中的Ａｌ 和Ｏ 与无定型的Ｓｉ－Ｎ 结合生成出现Ｓｉ２Ｎ２Ｏ 和Ｓｉ３ Ａｌ３ Ｏ３＋１.５ｘ Ｎ５－ｘ结晶ꎬ１ ７００℃时Ａｌ 和Ｏ

与结晶的β－Ｓｉ３Ｎ４固溶生成β’ －ＳｉＡｌＯＮ 结晶ꎬ最终陶瓷产物晶相组成为Ｓｉ２ Ｎ２ Ｏ/ Ｓｉ３ Ａｌ３ Ｏ３＋１.５ｘ Ｎ５－ｘ / β’ －ＳｉＡｌＯＮꎮ

对陶瓷的介电性能进行研究表明ꎬ温度<１ ０００℃时ꎬ其介电常数和介电损耗较为稳定ꎬ分别约为３ 和<０.００４ꎮ

     

纤维增强ＳｉＢＮ 陶瓷基复合材料的制备及性能

为了满足不同马赫数飞行器对透波材料提出的集透波、承载、防热、耐蚀、抗冲击于一体的性能

要求ꎬ本文开展了不同耐热区间纤维增强陶瓷基复合材料的研究ꎮ 采用ＰＩＰ 工艺分别制备了氧化铝、莫来石、

石英、氮化硅纤维增强ＳｉＢＮ 陶瓷基复合材料ꎬ并对其介电和力学性能进行了测试与评价ꎮ 结果发现莫来石纤

维增强ＳｉＢＮ 陶瓷基复合材料的介电常数和介电损耗分别为４.１~４.２ 和１.０×１０－２ ~９.７×１０－３ꎬ抗弯、拉伸、压缩

强度分别为９５.１２、３４.９５ 和８０.９２ ＭＰａꎬ具有最佳的综合性能ꎮ

     

用含硅芳炔树脂制备Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 复合材料

以含硅芳炔树脂为先驱体ꎬ采用先驱体浸渍法(ＰＩＰ) 制备了Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 复合材料ꎮ 首先通过炭化

Ｔ３００/ 含硅芳炔树脂(ＣＦＲＰ)制备了多孔Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 预制体ꎬ并探究了炭化工艺对所得多孔Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 预制体性能

的影响ꎬ制得的多孔Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 预制体弯曲强度为９８ ＭＰａꎻ然后以含硅芳炔树脂溶液为浸渍剂ꎬ浸渍多孔Ｃ/ ＣＳｉＣ

预制体ꎬ经过４ 次浸渍、固化、炭化后ꎬ得到致密的Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 复合材料ꎬ其弯曲强度提升到２０３ ＭＰａꎬ同时用

ＸＲＤ、ＳＥＭ、ＴＥＭ 等手段表征了复合材料的微观结构ꎬ所得Ｃ/ Ｃ－ＳｉＣ 复合材料主要成分为β－ＳｉＣ 及无定型碳ꎮ

     

三种Ｔ７００ 级碳纤维及其复合材料性能比较

对ＭＴ７００、Ｔ７００－Ａ 及Ｔ７００－Ｂ 三种碳纤维拉伸性能、表面形貌、单向板力学性能及网格加筋圆筒

轴压稳定性进行逐级对比研究ꎮ 结果表明:ＭＴ７００ 碳纤维拉伸性能达到同级别进口碳纤维水平且具有高模量

特征ꎻＭＴ７００ 碳纤维表面均布沟槽的结构特点使得ＭＴ７００/６０３ 复合材料体系表现出良好的界面性能和拉伸－

压缩匹配性ꎬ单向板压缩强度、层剪强度及弯曲强度均明显高于Ｔ７００－Ａ/６０３ 和Ｔ７００－Ｂ/６０３ꎻＭＴ７００/６０３ 网格

加筋圆筒轴压破坏强度及模量分别达到８７０ ｋＮ 和１０８.２ ＧＰａꎬ相比于Ｔ７００－Ｂ/６０３ 分别提高１１.５％和３３.１％ꎮ

ＭＴ７００ 碳纤维更适用于制备航天领域结构复杂承力构件ꎮ

     

ＳＭＰ 复合壳结构力学性能的有限元分析

基于建立的三维ＳＭＰ 本构方程ꎬ采用有限元的方法对ＳＭＰ 壳结构的弯曲和展开性能进行了建

模和仿真ꎬ重点研究了该壳的高温加载ꎬ降温固形ꎬ低温卸载和升温恢复的形状记忆过程ꎬ并进一步分析了金属

壳片对ＳＭＰ 壳的增强效应ꎮ 通过本构方程和有限元方法有效地描述了三维复杂应力状态下ＳＭＰ 壳的形状记

忆行为ꎬ 模拟得出了壳的反向弯曲的弯矩大于正向弯曲的弯矩以及弯矩－转角曲线具有明显的非线性ꎬ得出金

属薄壳能够有效的提高壳结构的刚度和形状恢复力。

     

高体积分数SiC_p/Al复合材料精密车削加工工艺技术

针对高体积分数铝基碳化硅材料车削加工过程中出现的刀具磨损严重、寿命低、切削难度大、零件质量难以保证等问题,采用聚晶金刚石刀具(PCD刀具)对其进行精密车削工艺实验,并利用扫描电镜、粗糙度仪、圆度仪等设备对已加工表面和刀具磨损形态进行观察分析研究。研究表明:刀具材料、切削速度、切削深度和进给量是影响高体积分数SiC_p/Al复合材料加工质量的主要因素。当切削速度在25~40 m/min、切削深度在25~35μm和进给量为25μm/r的PCD车刀时,切削效果最佳,可以有效地提高加工效率,改善工件表面加工质量,得到表面粗糙度为0.58μm和圆柱度为0.91μm的加工表面。     

PCD刀具车削不同颗粒含量SiCp/Al复合材料试验研究

碳化硅铝基复合材料具有优良的导热性、较高的比强度和比刚度,在航空航天领域具有广泛的应用前景。由于此复合材料中含有增强相,导致材料的切削加工性能变差。通过试验分析了不同颗粒体积分数(纳米级5%、微米级25%)SiCp/Al复合材料和切削参数(切削速度、背吃刀量、进给量)对刀具磨损和工件表面质量的影响,并对刀具磨损机理进行了研究。试验结果表明,车削微米级25%SiCp/Al材料时聚晶金刚石PCD(Polycrystalline Diamond)刀具磨损更严重,且工件表面质量更差。随着进给量和背吃刀量的增大,工件表面粗糙度值增大,刀片前刀面磨损严重;随着切削速度的增大,工件表面粗糙度值减小,刀片前刀面磨损量增大。选取本文切削参数进行SiCp/Al复合材料的切削加工时,发现刀具磨粒磨损、微崩刃是PCD刀具后刀面磨损的主要成因,且刀具前刀面也会产生积屑瘤。研究结果可为SiCp/Al复合材料PCD车削工艺的优化提供理论基础。     

钛合金TB6刀具磨损铣削实验研究

使用硬质合金刀具对钛合金TB6进行正交铣削实验,对比分析不同切削参数下的刀具磨损情况,并用实验结果进行回归分析得到刀具磨损的回归公式。结果表明:刀具主要磨损在后刀面,其磨损大都呈现一条带状磨损带,在速度增大时大磨损带变长,刀具易发生脆性破损,且在刀具表面会出现钛合金粘连;对刀具耐用度的影响大小依次为切削速度、进给量、切削宽度和切削深度;刀具磨损回归方程具有良好的回归方差,能够很好的对刀具寿命进行预测。     

不同刀具车削加工高硅氧玻璃纤维/酚醛树脂切削力研究

为探索高硅氧玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的切削加工性能,对该类材料进行大直径薄壁回转类零件的车削加工。采用四种不同刀具进行实验研究,获得了不同切削参数及不同刀具材料对切削力的影响规律。试验结果表明:切削用量三要素中,切削深度对切削力的影响最大,其次是进给量,而切削速度的影响很小。当切削速度为119.32 mm/min、进给量为0.1 mm/r、背吃刀量为0.5 mm时,为最优切削参数。Ti-Al-Si-N纳米涂层硬质合金和超硬材料F2HX无涂层硬质合金刀具适合于低速加工,而PCD刀具则适合于高速加工。     

干式铣削Al-50wt%Si高硅铝合金刀具磨损与表面粗糙度评价

本文以Al-50wt%Si高硅铝合金为研究对象，采用单因素试验方法进行无涂层硬质合金刀具干式铣削试验，分析切削参数对刀具磨损和表面粗糙度的影响。结果表明：表面粗糙度受每齿进给量的影响最显著，随每齿进给量的增加而增加，当每齿进给量从0.07 mm/z增加到0.16 mm/z时，表面粗糙度增加2倍；刀具磨损受切削速度的影响最显著，随切削速度的增加而增加，当切削速度从140 m/min增加到260 m/min时，切削总长度降低3倍，而刀具后刀面磨损量仅是260 m/min速度下的0.8倍；表面粗糙度随刀具磨损的增加呈现先增加后降低的变化趋势，切削长度从350 mm增加到1 750 mm，刀具磨损量平均增加4.5倍，而表面粗糙度却下降2倍；硬质合金刀具主要的磨损形式为磨粒磨损、崩刃。     

整体叶盘盘铣加工切削力及刀具磨损实验研究

本文对整体叶盘开槽粗加工时从切削速度、进给量、径向切深等切削参数对切削力的影响进行研究。选用正交实验的方法进行盘铣切削实验,得到切削参数对切削力的影响变化规律,并对刀具在切削过程中的磨损进行分析,进一步验证优化的切削参数,为整体叶盘的盘铣加工参数的合理制定与加工工艺的优化提供参考。     

TiAlN涂层刀具高速铣削GH4169刀具耐用度研究

针对难加工镍基高温合金材料GH4169实际切削过程中的加工效率低下、刀具磨损严重、加工表面质量差等问题,本文采用正交试验法,使用新型PVD-TiAlN涂层硬质合金刀具进行高温合金GH4169的高速铣削试验。研究了TiAlN涂层刀具高速铣削GH4169过程中的刀具耐用度和由于刀具磨损引起的试件表面粗糙度的变化规律;建立了高温合金GH4169的刀具寿命经验公式和刀具磨损与试件表面粗糙度之间的变化规律曲线。结果表明:高温合金GH4169高速铣削过程中,切削速度对刀具寿命的影响非常明显,进给量及切削深度的影响较小;TiAlN涂层硬质合金刀片的耐用度随着切削速度的增大而减小;试件的表面粗糙度值随着刀具的磨损总体上呈现增加的趋势。     

晶须和短纤维增强铝合金复合材料的切削加工

本文综述了ＳｉＣｗ／６０６１，Ａｌ２Ｏ３／６０６１复合材料的切削加工特点及由车削试验得出的不同刀具的材料，切削速度Ｖｃ，进给量ｆ，切削路程ｌｍ及复合材料中纤维（晶须）含有率Ｖｆ，不同的制取方法对刀具磨损ＶＢ，切削力Ｆ及表面粗糙度ＲＺ的影响规律。     

铣削加工参数对SiCp/Al复合材料表面粗糙度的影响

文摘SiC_p/Al复合材料在切削加工中存在严重的表面质量问题。本文设计单因素试验,采用硬质合金涂层刀具对SiC_p/Al复合材料进行铣削加工,研究了加工参数对表面粗糙度的影响。结果表明:表面粗糙度随切削速度的增大先增大后减小,随进给量、径向切深、轴向切深的增大而增大;使用较大的切削速度、较小的进给量和不大于4 mm的径向切深能获得较好的加工表面质量。     

碳纤维增强复合材料车削表面质量分析

以PCD刀具车削加工短切碳纤维/酚醛复合材料的表观质量为研究对象,通过开展正交试验,采用三维测量技术,研究切削三要素和刀尖圆弧半径对工件加工质量的影响;通过Design Expert软件,对加工因素的显著性进行分析。结果表明,随着切削速度v和进给量f的增大,表面粗糙度Ra逐渐增大,随着切削深度a_p和刀尖圆弧半径r的增大,Ra逐渐变小;试验显著因素为刀尖圆弧和进给量;最佳加工参数为：v=160 r/min、f=0.15 mm/r、a_p=0.6 mm、r=0.6 mm;通过加工试验和建模分析验证,结论可靠。