SiCp/Al复合材料低损伤表面切削加工研究与进展

SiC_p/Al复合材料属于典型的难加工材料,其SiC颗粒增强相的存在使得切削加工时材料已加工表面极易出现基体撕裂、微裂纹、微空穴等缺陷。为了实现SiC_p/Al复合材料的高效低损伤加工,从切屑形成机制、表面完整性和刀具磨损等方面总结SiC_p/Al复合材料切削加工性能及其影响因素,研究表明,该材料增强相颗粒去除方式和去除机理对表面形成过程影响显著;探讨了SiC_p/Al复合材料塑性域加工机理和塑脆转换临界条件获取方面的研究进展,综述了表征SiC_p/Al动态力学性能的宏微观建模方法,分析了多尺度多相耦合切削加工有限元仿真的热点和难点问题;指出了低温微切削、超声辅助微切削、激光辅助微切削等是实现SiC_p/Al复合材料协调变形和塑性域加工工艺条件的发展方向。     

SiCp/Al二维超声复合电解/放电加工的表面生成机理及试验研究

针对复合材料高质量的加工要求,结合各加工技术的优点,本文提出二维超声复合电解/放电加工技术(2UECM/EDM),并对其表面生成机理进行深入研究。利用二维超声辅助磨削加工时单磨粒的运动轨迹对加工表面沟槽的加宽作用和电解/放电加工的整平作用,通过研磨面积比(δ_s)来分析复合材料表面形貌和表面粗糙度(Ra)的变化规律,并进行了复合材料SiC_p/Al维超声复合电解/放电加工的表面生成机理对比试验。结果表明,单周进给距离、电压和二维超声振幅等参数影响加工表面质量。其中,表面粗糙度与磨粒单周进给距离的变化趋势一致;较高电压时电解/放电加工效应显著,导致增强颗粒裸露进而增加了Ra;轴向和切向二维振动共同作用下显著增大δ_s值,而其值在1.8附近时Ra出现明显的转折变化趋势。因此,当δ_s大于1.8时的工具和工件振幅以及较低电压参数,加工时对增强颗粒的拖曳和碾压可以显著降低表面不平度、较大幅度提高工件表面质量。     

SiCp/Al超声椭圆振动车削力热特性仿真研究

SiC_p/Al复合材料在航空航天、精密仪器等诸多领域发挥重要作用,但是其在加工中会出现较高的切削力和切削温度,从而降低其车削加工表面质量和精度。为探究超声椭圆振动作用及车削工艺参数对SiC_p/Al车削的影响,在ABAQUS中建立了SiC_p/Al超声椭圆振动有限元车削仿真模型,优化了SiC_p/Al微观几何建模方法,对车削模型进行验证并开展车削仿真试验研究。试验结果表明,超声椭圆振动车削可有效减少亚表面损伤、表面裂纹等缺陷。通过变切速和变切深单因素试验,发现随着切削速度和切削深度增加,普通和超声车削主切削力和切削温度均增大,超声椭圆振动技术可有效降低SiC_p/Al车削过程的主切削力和切削温度。在所选参数中,切深100μm、切速200mm/s时超声作用降低切削力作用最大;切深20μm、切速600 mm/s时超声作用降低切削温度作用最大。     

SiCp/Al复合材料-GCr15钢干摩擦磨损行为研究

采用无压浸渗法制备了SiC颗粒体积分数分别为15%、25%、35%、45%、55%、65%的铝基复合材料。在M-200磨损试验机上研究了SiC颗粒体积分数及载荷对铝基复合材料干摩擦滑动磨损行为的影响,对摩材料为GCr15钢环。采用SEM对铝基复合材料磨损表面及亚表面形貌进行了分析,采用EDX分析了磨损表面及亚表面的元素组成。研究结果表明,铝基复合材料的摩擦系数随着SiC颗粒体积分数的增加而上升,随着载荷的升高而降低,磨损率随着SiC颗粒体积分数的增加而下降。铝基复合材料磨损表面有一层机械混合层,它的出现有利于降低铝基复合材料的磨损率,混合层的厚度随着SiC颗粒体积分数和外加载荷的增加而增加,随着载荷的增加,混合层内出现裂纹并产生剥落。铝基复合材料的磨损机理主要是磨粒磨损、氧化磨损和剥层磨损。     

原位自生TiB_2/Al复合材料磨削表面质量研究

原位自生TiB_2/Al复合材料具有密度小,比强度高,比模量大等特点,在航空航天领域具有广泛的应用前景。为探索原位自生TiB_2/Al复合材料的磨削加工性能,选用单晶刚玉SA砂轮、白刚玉WA砂轮和CBN砂轮在不同磨削参数下对TiB_2/Al复合材料进行磨削试验。首先研究了砂轮材质、转速、工件速度、磨削深度对工件表面粗糙度的影响规律;其次通过对工件表面形貌、磨屑形态、砂轮磨损的观测分析,探索了原位自生TiB_2/Al复合材料磨削表面成形机制;最后基于试验数据,给出了TiB_2/Al复合材料磨削工艺参数优选域。本研究可为颗粒增强金属基复合材料磨削加工提供基础理论支撑。     

超声振动磨削C/SiC复合材料的试验研究

采用电镀金刚石砂轮对CVI+PIP综合工艺制备的2.5D正交编织C/SiC陶瓷基复合材料进行了轴向超声振动平面磨削加工试验.通过对超声振动磨削与普通磨削的磨削力、磨削表面三维形貌及粗糙度的分析与测量,对C/SiC复合材料的加工工艺进行了研究.结果表明,磨削过程中材料去除方式以脆性去除为主,碳纤维损伤形式以纤维拉断、剥离...     

磨料电化学射流加工SiCp/Al复合材料仿真和试验

碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiC_p/Al)具有优异的物理及力学性能,但是其二次加工极为困难。仿真和试验研究了SiC_p/Al复材的磨料电化学射流加工。结果表明,随着铝基体的去除,SiC增强体与铝基材之间的结合界面不断减小,界面的疲劳寿命随界面面积减小而呈现若干数量级式降低。当结合界面面积下降到较低水平时,SiC增强相会从基体材料上脱落,同时在加工表面留下微坑。加工表面的粗糙度与这些微坑的数量和尺寸高度相关。SiC增强相尺度越大或含量越高,则加工表面越粗糙。     

进给速度对MI工艺制备SiCf/SiC复合材料加工损伤的影响

采用超声辅助磨削对MI工艺制备的SiC_f/SiC复合材料表面进行磨削加工,研究了进给速度对复合材料性能的影响。结果表明：采用超声辅助磨削加工SiC_f/SiC复合材料表面时,加工区域出现纤维脱粘、断裂、破碎及基体裂纹和脱落现象,且纤维与基体界面会有裂纹产生。当进给速度提高时,复合材料表面损伤加重,导致其比例极限强度和最大载荷降低。进给速度由400 mm/min提高至1 000 mm/min时,SiC_f/SiC复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别降低4.7%和20.6%。     

无压浸渗SiCp/Al复合材料干摩擦磨损性能研究

采用无压浸渗法制备了不同SiC颗粒体积分数以及不同SiC颗粒粒度的Al基复合材料.以硬质合金(80%WC 20%Co)为对摩试样进行了干摩擦试验,研究了颗粒体积分数(15%,25%,35%,45%,55%)、颗粒粒度(110μm,63μm,45μm)以及载荷(196N,392N)对SiCp/Al复合材料干摩擦磨损性能的影响.采用SEM和EDS分析了铝合金基体、复合材料的磨损表面及磨损机理.研究结果表明,颗粒体积分数在15%～35%之间时,复合材料的耐磨性明显优于铝合金基体.载荷为196N时,铝合金的磨损率是15%,25%,35%SiCp(110μm)/Al复合材料的2.16,2.76,2.07倍.SiCp/Al复合材料的磨损率随着颗粒粒度的增加、载荷的减小而降低.SiC颗粒的体积分数对铝基复合材料的磨损率和磨损机制有显著影响:SiC颗粒体积分数存在一个最佳值(25%),此时复合材料的磨损率最小,耐磨性能最好.当体积分数小于25%时,复合材料磨损率随着体积分数的增加而下降,磨损机制以磨粒磨损为主,而当体积分数大于25%时,复合材料磨损率随着体积分数的增加而上升,磨损机制以表层剥落磨损为主,同时伴有磨粒磨损.     

SiC_p/Al复合材料内螺纹螺旋磨削加工方法研究

铝基碳化硅颗粒增强型复合材料(SiC_p/Al复合材料)切削加工性能较差,其内螺纹的切削加工难度更大。在研究SiC_p/Al复合材料磨削加工性能的基础上,提出利用电镀超硬磨料成形砂轮进行SiC_p/Al复合材料内螺纹螺旋磨削加工的工艺方法,并研制了电镀CBN成形砂轮,进行了具体的内螺纹磨削试验。试验结果验证了SiC_p/Al复合材料内螺纹螺旋磨削加工方法的可行性和灵活性。在砂轮线速度v_s=5.86m/s、进给速度v_f=80mm/min的条件下,CBN成形砂轮对SiC_p/Al复合材料展现出较好的磨削能力,单个砂轮可以完成17个M8螺纹孔的螺旋磨削加工,其内螺纹的加工尺寸精度均满足6H塞规的检测要求。同时,电镀CBN砂轮的磨损形式以磨粒磨损为主,砂轮表面未出现大面积脱落的现象。这说明,利用超硬磨料成形砂轮可以实现SiC_p/Al复合材料内螺纹的高效高质量加工,此工艺方法具有较高的工程应用价值,适于在实际生产中推广应用。     

SiC晶须增强铝基复合材料超精密切削试验研究

通过聚晶金刚石刀具对SiC晶须增强铝基复合材料SiCw/LD2的超精密切削试验,并用原子力显微镜AFM对加工表面的微观形貌进行检测分析证明:SiCw/Al铝基复合材料的加工表面粗糙度值可以达到超精密级Ra0.01μm,但比切铝基体材料的表面粗糙度值大一级,且粗糙度值随着切削速度的增加、进给量的减小而减小,而吃刀量的影响不大;晶须的破坏方式对加工表面粗糙度也有直接影响。     

高体积比铝基SiC复合材料的铣磨试验研究

为了改善高体积比铝基SiC复合材料的可加工性,提高加工效率,本文对高体积比铝基SiC复合材料进行了平面铣磨加工试验研究.试验结果表明,高体积比铝基SiC复合材料在铣磨加工中主要表现为脆性材料的特性,电镀金刚石砂轮在磨削过程中不会出现磨屑粘附现象.SiC颗粒的破损程度是影响表面粗糙度的主要因素,并且在相同磨削参数和条件的情况下随着颗粒的破损程度、砂轮粒度的增大和进给速度vf的降低,磨削表面的粗糙度值会逐渐减小.在给定其他试验参数的情况下,120#的φ8mm电镀砂轮适合进行粗磨,并且磨削的材料去除率能够达到2400mm3/min,同时进给抗力Fz小于25N,磨宽抗力Fx和磨深抗力Fy小于15N.使用230#的φ8mm电镀砂轮进行精磨能够保证表面形成率达到6400mm2/min,并使表面粗糙度优于Ra0.4μm.     

基于不同磨粒的氮化硅陶瓷磨削特性研究

采用多颗磨粒磨削仿真和实验相结合的方式研究磨削过程的磨削力、磨削温度和已加表面形貌。对比分析了多颗磨粒和传统单颗磨粒磨削模型在磨削特性上的差异性,并对多颗磨粒磨削仿真模型进行了验证。结果表明：当磨削速度减小、磨削深度增大时,多颗/单颗磨粒仿真与实验的磨削力均增大;当磨削速度和磨削深度增大,多颗/单颗磨粒仿真与实验的磨削温度均增大;当进给速度增大时,单颗磨粒仿真的磨削力减小、磨削温度先减小后增大,多颗磨粒仿真和实验的磨削力增大、磨削温度减小;多颗磨粒磨削时的磨削力和磨削温度大于单颗磨粒磨削时的力和温度;多颗磨粒仿真后工件表面形貌与实际加工后表面形貌相符。基于多颗磨粒磨削工程陶瓷的有限元仿真模型相比于单颗磨粒模型可更好地模拟实际加工情况。     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究

采用加压浸渗法成功制备了SiC_p/Al(纯)复合材料,探讨了加压浸渗工艺并测定了复合材料的力学性能。试验结果表明,向SiC颗粒内加入适量添加剂后制成的预制件,更有利于铝液的渗透,从而能有效地提高复合材料的强度。试验结果还表明,在本试验范围内(SiC颗粒体积分数30％～50％,颗粒粒径0.1～5μm),复合材料的强度随SiC百分含量的增加而增加,随SiC颗粒粒径的减小而呈上升趋势。     

颗粒增强钛基复材缓进深切磨削加工研究

颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)属于典型的难加工材料,在航空航天领域具有广阔应用前景.本文开展了PTMCs材料的缓进深切磨削研究,揭示了磨削用量和磨削方式(顺磨与逆磨)对磨削力与磨削温度的影响规律,同时利用有限元法分析了磨削温度场特征和材料去除机理.研究发现,缓进深切磨削PTMCs时,磨削力随工件进给速度和切深增加而增加,顺磨时的磨削力比逆磨大10％～20％,而顺磨的磨削温度要比逆磨约低10％.由于逆磨和顺磨工件的温度分布不同,当切深大于0.6mm、工件进给速度大于400mm/min时,顺磨比逆磨更易发生烧伤.在此基础上,提出了顺磨与逆磨条件下磨削温度场仿真计算的不同热源模型与边界条件,分别获得了两种磨削方式的温度分布特征,有限元仿真结果与试验结果相符.颗粒增强钛基复材磨削表面典型加工缺陷是表面涂覆和硬脆增强相破碎和拔出导致的孔洞,单颗磨粒切厚对硬脆增强相的去除行为有显著的影响.     

磁场辅助电火花加工平台开发及SiCp/Al加工试验研究

结合微细电火花加工的技术特点,对微细电火花加工控制系统进行模块化设计,完成了磁场辅助电火花加工系统试验平台搭建,基于LabWindows/CVI环境开发了人机交互操作界面,进行了磁场辅助电火花微孔加工试验,验证了该微细电火花加工机床的稳定性。单脉冲试验结果表明,放电持续时间随着磁感应强度的增大而变长,磁感应强度的增大使放电凹坑直径增加、深度减小,材料去除体积增大。微孔加工试验结果表明,适当的外部磁场对电火花加工性能有显著的提升作用。施加0.3 T的外部磁场时,材料去除率得到提高,表面粗糙度有所降低。体积分数越大的SiC_p/Al复合材料去除率提高越明显,体积分数为65%的SiC_p/Al复合材料在施加外部磁场后,材料去除率提升高达96.85%。     

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。     

SiC_p/2024Al铝基复合材料搅拌摩擦焊接头微观组织

利用搅拌摩擦焊对SiCp/2024Al铝基复合材料进行了焊接。采用急停实验分析母材瞬间移动行为。利用金相显微镜,TEM观察接头组织。接头显微组织分析表明,接头中形成V字型结构,且SiC颗粒因焊缝位置不同而分布不均匀。在热机影响区中,SiC出现偏析;在焊核区,SiC颗粒较少。若参数选择不当,焊核中心区出现了颗粒消失现象。焊缝不同位置透射电镜分析表明,SiC/Al界面结合清晰,无脆性相生成,并在其中发现了破碎的SiC颗粒。     

TiB2/7050颗粒增强铝基复合材料热变形行为与热压工艺优化

分析TiB₂/7050颗粒增强铝基复合材料的热变形行为及工艺参数的影响规律,对其热变形后的组织设计和获得理想性能参数至关重要。基于此,针对TiB₂/7050颗粒增强铝基复合材料开展了相关研究。用Gleeble-3500热模拟机进行热压缩试验,研究了TiB₂/7050颗粒增强铝基复合材料在变形温度300~450 ℃、应变速率0.001~1 s-1时的热变形行为,建立了材料的双曲正弦本构方程;根据动态材料模型计算得出热加工图,优选了材料的热加工工艺窗口;对原始挤压成型坯料和优化工艺的热压成型坯料进行了力学性能测试和微观组织形貌分析。结果表明:两种成型工艺相比,热压件强度指标略有提高,但塑性大幅提高,其长横向断后延伸率提高400%;热压工艺件晶粒更加细小、且无明显择优取向;拉伸断裂机制均为准解理断裂,热压件断口韧窝更深、撕裂棱更粗大,表明塑性撕裂持续时间更长。      

基于多颗磨粒随机分布的虚拟砂轮建模及磨削力预测

利用VHX-600E型超景深显微镜测量了金刚石砂轮表面的磨粒分布情况,计算得到了砂轮表面的磨粒密度、真实接触弧长以及砂轮总的磨粒数和有效磨粒数。基于磨粒间隔分布假设和虚拟格子方法在虚拟砂轮端面随机分布等磨粒密度的多颗正六面体磨粒,并随机分配磨粒的位姿以模拟砂轮的真实形貌。将1/4虚拟砂轮模型导入Deform-3D软件中,建立三维虚拟磨削仿真模型,采用Lagrangian Incremental算法获得多颗磨粒的仿真磨削力值,并建立了基于多颗磨粒磨削仿真的磨削力预测模型。通过金刚石砂轮端面磨削硬质合金刀片的实验,比较了实测磨削力与预测磨削力;仿真与实验结果具有一致性,证明了采用本方法建立的多颗磨粒虚拟磨削仿真模型可以用于磨削力预测,为多颗磨粒共同磨削的磨削力研究提供了新的思路。