C/SiC复合材料的制备及加工技术研究进展

碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料由于其强度高、硬度大、耐磨损,被广泛应用于工业、航空航天等领域,然而C/SiC复合材料难以被稳定地去除加工。本文综述C/SiC复合材料的常见制备方式及其材料的性能特点。概述C/SiC复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工等加工方法,分析了各种加工方法的材料去除机理、加工精度、常见缺陷及加工过程中存在的问题。传统的机械加工需进一步优选切削刀具材料;超声辅助加工需探究超声振动的刀具与材料之间的耦合作用机制、振动作用下的材料去除机理;激光加工要进一步研究2.5维及3维C/SiC复合材料的激光加工去除机理。在这些研究的基础上进一步采用复合加工的方法,探寻C/SiC复合材料高效、精密、稳定和无损加工的可能性。     

飞机用复合材料的机械加工

近年来飞机用复合材料越来越广泛,这是和复合材料的比强度高、刚性好;可以采用缝纫法(纤维人工定向法);复杂形状的工件也能整体成形;结构形式多样化;重量轻,以及制造成本低等有关。 当然,从机械加工这一角度来看,目前难以加工材料的比率很高,提高工艺性仍有一定的困难。因此,我们在此介绍飞机用复合材料及其机械加工的例子,同时谈一下机械加工中存在的问题。     

碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展

碳纤维增强复合材料(特别是碳纤维增强树脂基复合材料和碳/碳复合材料)具有比强度和比模量高、耐高温、抗腐蚀等特点,被广泛应用于航空航天等领域.由于碳纤维增强复合材料硬度高、脆性大、层间剪切强度低等特点,使其在加工中容易出现毛刺、分层、撕裂等加工缺陷,并且刀具磨损快、耐用度低.针对碳纤维增强树脂基复合材料和碳/碳复合材料的加工问题,从铣削和钻削两个方面讨论了加工参数、加工刀具、切削力预测以及超声振动钻孔和螺旋铣孔等方面的技术,总结了目前提高碳纤维增强复合材料加工质量的工艺方法.     

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。     

切削加工刀具磨损及其预测建模技术研究进展

刀具磨损不仅影响工件加工表面质量和加工精度,而且频繁地换刀还会降低加工效率、增加生产成本,通过研究刀具磨损机理,影响刀具磨损的因素以及刀具磨损预测模型建模技术,为降低刀具磨损提供技术支持。对切削加工过程中刀具磨损及其预测建模技术的研究进展进行了综述。首先,基于近年来刀具磨损机理研究进展,分别对几种主要刀具磨损机理的表现形式及特征进行了分析。其次,重点论述了切削加工过程中切削参数、刀具几何参数、刀具和工件材料特性及加工方法等因素对刀具磨损影响规律,总结分析了刀具磨损预测建模方法和形式。最后,结合制造业绿色节能的发展理念和高速发展的计算机技术,指出降低刀具磨损的加工方法和刀具磨损预测建模技术的未来发展方向。     

基于线接触的回转二次曲面加工仿真研究

根据线接触加工回转二次曲面基本原理,建立基于磨粒磨损理论的线接触加工过程仿真模型,给出仿真流程并分析仿真过程各项参数的选取方法,最后基于此模型来研究加工参数如磨粒大小、工件初始面形和刀具初始面形对加工结果的影响,仿真结果表明工件和刀具初始面形对加工结果没有影响。     

振动切削的刀具磨损研究

在深孔加工中，给刀具（工件）施以低频轴向振动，成功地解决了切屑处理问题，降低了因切屑堵塞而引起的刀具破坏的可能性，但刀具的磨损寿命有所下降。     

复合材料后加工技术的研究现状及发展趋势

分析了国内外复合材料后加工技术的研究现状和发展趋势,重点阐述了复合材料切削力和切削温度、切削刀具材料及结构、特种加工技术、表面质量评价技术研究等方面的研究成果,同时提出了建议。     

6061铝合金铣削过程刀具磨损研究

6061铝合金铣削加工过程中,刀具受到剧烈的力和热的综合作用,导致铣削过程中刀具严重磨损,使得加工效率低、加工质量差。使用超景深和能谱分析仪观察和分析刀具磨损,使用白光干涉仪观测表面粗糙度,研究刀具磨损与工件表面粗糙度的关系。结果表明:使用硬质合金刀具铣削6061铝合金时,在铣削前期铣刀很容易产生微崩刃;试验中扩散磨损是影响刀具磨损的主要原因;在刀具缓慢的磨损初期,工件表面粗糙度增加较为明显,磨损量均匀增加的稳定磨损阶段工件表面粗糙度增加较为缓慢。     

(TiB+TiC)/TC4复合材料电解钻孔试验研究

钛基复合材料是一种典型的难加工材料,采用传统机械加工方法存在加工效率低和加工质量差等问题。利用电解加工技术,采用直径为10mm的管状阴极,对(TiB+TiC)/TC4复合材料进行电解钻孔加工试验研究。进行了(TiB+TiC)/TC4复合材料的电化学特性研究,测量了(TiB+TiC)/TC4复合材料在10%NaNO₃溶液中的极化曲线和电流效率。探究了加工电压、电解液压力对加工精度的影响。结果表明,当加工电压为30V,电解液压力为0.6MPa时,电解钻孔可以在1mm/min的进给速度下稳定加工。当加工的盲孔深径比为3.06时,孔的圆度误差为41.1μm,锥度为0.4°,具有较高的加工精度。     

金属基复合材料环的机械加工工艺探讨

新型材料金属基复合材料的机械加工目前在国内外都是一个重大课题。通过广泛查阅大量资料,本文对金属基复合材料的制备、及其性能特点作了简单的介绍,并对某型号精密环类零件的机械加工工艺设计思想及在实践中摸索的诸如加工刀具、设备和切削参数等进行了总结,希望能为今后的科研生产提供可借鉴的经验。     

航空发动机钛材料磨削技术研究现状及展望

钛材料主要指钛合金、钛铝金属间化合物和钛基复合材料,具有密度低、强度高、抗氧化与蠕变性能好等优异特性,在航空发动机领域具有广泛应用前景。钛材料属于典型的难加工材料。磨削是高效精密加工钛材料的重要方法,可以获得良好的加工精度和表面质量。首先概述了钛材料在航空发动机中的应用及其磨削工艺技术总体情况。随后,从磨削力与磨削温度、砂轮磨损、材料去除机理、表面完整性等方面阐述了钛材料磨削技术的研究进展,并总结了针对钛材料磨削关键问题提出的新工艺和新方法。最后,对钛材料磨削技术未来的研究方向进行了展望。     

SiCp/Al复合材料在太阳电池阵展开机构上的应用

介绍了SiCp/Al复合材料的机械性能、热力学性能、加工性能，以及在太阳电池阵展开机构中的应用情况。分析认为采用SiCp/Al复合材料，充分发挥了其高比模量、高比强度和良好的耐磨性能，其管材、型材已达到了应用阶段。     

Simulation of temperature distribution and discharge crater of SiCp/Al composites in a single-pulsed arc discharge

SiC_p/Al composites are difficult-to-cut materials. In recent years, electrical arc discharge machining has been developed to improve the machinability of these materials. However, there is a big challenge to build a satisfactory heat transfer model of SiC_p/Al composites in the arc machining. This is not only because of the material property difference between the reinforcement and matrix material but also because of the micro-dimension SiC reinforcements. This paper established a new heat conduction simulation model considering the SiC particle-Al matrix interface and the phase change effects in a single-pulsed arc discharge of SiC_p/Al composites. A novel SiC particle-Al matrix cell geometric model was designed firstly. Then, the temperature distribution at a different depth from the workpiece surface was analyzed, the influence of sic volume fraction on temperature field was studied, and the contribution of the interface thermal resistance and latent heat were explained. To demonstrate the validity of the new numerical model, comparisons and verifications were employed. Finally, the method of improving the model was proposed and the machining mechanism of arc discharge of SiC_p/Al matrix materials was discussed. It was found that high temperature is prone to concentrate on the surface layers of the workpiece especially when the SiC fraction is high, also, the temperature fluctuates respectively at the evaporation point of aluminum and SiC, and the SiC-Al resistance has less influence on temperature distribution compared to latent heat, etc. The model build in this work improves the simulation accuracy observably compared to the previous model, and the simulation work will help to acquire a detailed mechanism of material removal of SiC_p/Al composites in the arc discharge machining.     

SiCf/SiC陶瓷基复合材料制孔工艺

分别采用机械钻削制孔与激光制孔两种工艺对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料进行制孔,对其质量以及工艺特点进行评价分析。结果表明,机械钻削制孔孔径精度较好但存在刀具磨损严重、出现毛刺崩边现象等问题;激光制孔效率较高,但孔存在锥度且因热影响区的存在导致孔的内壁表面出现分层、裂纹等缺陷。     

无人机碳环氧复合材料高质量无损伤制孔工艺研究

碳纤维复合材料制孔时易产生各种加工缺陷,影响制孔质量。本文对碳纤维复合材料的制孔缺陷原理进行研究,并设计相关对比工艺试验,,对制孔工艺中钻头工作参数、钻削参数等提出了较优建议。     

Machining of SiC ceramic matrix composites: A review

Continuous fiber reinforced SiC ceramic matrix composites (FRCMCs-SiC) are currently the preferred material for hot section components, safety–critical components and braking components (in the aerospace, energy, transportation) with high value, and have triggered the demand for machining. However, the high brittleness, anisotropy, and heterogeneity of materials bring great challenges to machining, due to high mechanical and thermal loads, severe tool wear, and poor machining quality. With the increasing demand of FRCMCs-SiC parts, high-quality and high-efficient machining has become a hot issue. This review paper provides a detailed literature survey on the machining of FRCMCs-SiC. The material removal mechanism, defect form, and interfacial mechanical properties of FRCMCs-SiC were summarized. The machining processes of FRCMCs-SiC were introduced, and their respective advantages and disadvantages were compared. Given the low machinability (high hardness, high brittleness, anisotropy, and heterogeneity) of FRCMCs-SiC, preliminary experiments have proved that ultrasonic-assisted machining and laser-assisted machining have shown unique advantages in reducing force and tool wear, improving machining quality and machining efficiency. The machined surface integrity was discussed, the influence of process parameters on the machined surface quality was analyzed, and the machining defects of FRCMCs-SiC were summarized. But for FRCMCs-SiC, the existing quantitative evaluation of the machined surface integrity was weak and unsystematic.     

C/SiC复合材料AUAG加工机理及实验研究

对C/SiC复合材料沿纤维分布方向超声磨削加工AUAG展开研究,对超声加工C/Si C复合材料的表面微观结构以及机械性能进行了评估,对表面质量随加工参数的变化而变化展开了研究。结果表明通过AUAG超声磨削加工参数的优化设计,可以得到较好的表面质量。