SiCp/Al复合材料加工损伤及刀具优选研究进展

SiC_p/Al复合材料中增强相SiC颗粒的存在降低了该材料的加工性能,使得其切削加工时产生一系列加工损伤。本文综述了SiC_p/Al复合材料的加工缺陷类型、缺陷形成机理、缺陷控制策略和切削刀具的磨损机理与优选策略,并对今后SiC_p/Al复合材料加工损伤研究进行了展望。     

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%。     

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。     

基于单颗金刚石磨粒磨削的SiCp/Al复合材料仿真与试验研究

本文主要开展了单颗金刚石磨粒磨削碳化硅颗粒增强铝基(SiC_p/Al)复合材料的试验及三维有限元仿真研究。分析了SiC_p/Al复合材料磨削过程中磨削工艺参数对磨削力及表面形貌等的影响。分析结果表明,随着磨粒转速的增加,磨削力减小,SiC颗粒破碎现象有所缓解,铝基体的涂覆作用增强,表面形貌完整性好;随着磨削深度的增加,磨削力增大,SiC颗粒破碎明显增强,表面形成较多凹坑与孔洞,表面质量差。仿真结果与试验结果较吻合,说明该仿真模型可用于磨削工艺参数的优化分析。     

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。     

单纤维增强SiCf/SiC陶瓷基复合材料切削机理研究

根据SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的结构特点构建了二维切削有限元分析模型，发现微裂纹在基体材料的萌生与扩展、增强相纤维对裂纹扩展的阻碍是切削该材料的基本去除方式。单纤维增强SiC_f/SiC陶瓷基复合材料切削过程是基体材料的裂纹不断萌生、扩展和增强纤维不断拉断、折断而形成切屑的综合过程，刀具与基体、纤维不断的脱离、接触导致切削力波动大，切削过程呈明显的随机波动特性。SiC纤维的存在对于控制裂纹的形成与扩展具有重要作用，SiC纤维限制了裂纹的扩展长度，使得形成的切屑尺寸较小，有利于提高表面加工质量。     

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。     

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。     

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。     

ZrO2陶瓷切向超声辅助磨削表面及亚表面损伤机制

为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面损伤机理,基于应变率模型对其磨削过程中材料的动态力学性能进行分析,并在此基础上建立了硬脆材料的脆-塑转变临界切削深度模型与微裂纹损伤深度模型。研究发现,脆-塑转变临界切削深度和微裂纹损伤深度均与应变率有关,其中临界切削深度随着应变率的增加而增加,而横向裂纹损伤深度与中位裂纹损伤深度均随应变率的增加而减小。通过ZrO₂陶瓷切向超声辅助磨削试验进行验证。试验结果表明：由于切向超声振动的引入提高了材料应变率,进而提高了材料的动态断裂应力以及动态断裂韧性,从而扩大了ZrO₂陶瓷的塑性域去除范围,降低了加工表面的横向裂纹与中位裂纹损伤深度,使得ZrO₂陶瓷的表面及亚表面质量得到明显改善。试验结果与理论分析相一致,为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面微观损伤机理提供了理论参考。     

碳纤维增强复合材料铣削加工技术研究进展

目前,国内关于碳纤维增强复合材料铣削加工技术的研究还处于起步阶段。为改进CFRP切削加工工艺,必须从CFRP材料切削去除机理,切削刀具材料选用、刀具几何结构设计和涂层处理,加工表面缺陷形式等方面开展系统、深入的研究。本文主要从以上几个方面针对近年来国内外对于碳纤维增强复合材料铣削加工中的研究进展进行综述。     

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。     

高体积分数SiCp/Al激光诱导氧化辅助铣削研究

为了解决高体积分数的SiC_p/Al复合材料在常规切削加工中存在切削力大、刀具磨损快、表面完整性差等问题。本文针对高体积分数SiC_p/Al材料开展激光诱导氧化辅助铣削技术研究，通过激光辐照铣削区域形成易于去除的疏松氧化层提高切削性能，同时开展氧化层调控策略及激光诱导氧化辅助下的铣削参数优化工艺研究，研究不同激光能量密度、辅助气体对氧化层质量的影响及铣削参数优化。结果表明随激光能量密度的增大热影响区宽度和烧蚀沟槽深度随之增加，在氧气辅助下易形成疏松且易于去除氧化层。选取较高的激光能量密度可获得较好的氧化效果，而使用PCD金刚石铣刀，主轴转速为10 000 r/min，在每齿进给量为7.5 μm /s可获得最佳表面质量。     

铣削加工透波性Si3N4陶瓷表面质量研究

为了探索透波性Si3N4陶瓷铣削中加工表面创成机理及加工工艺参数对其影响规律,对加工表面形貌和边缘破损特征,以及加工参数与切削力、表面粗糙度、边缘破损的映射关系等开展了试验研究。首先对加工表面形貌进行了分析,由于存在陶瓷粉末去除和破碎性颗粒去除两种形式,造成加工表面形貌结构一种体现为变化平缓,而另一种包含微裂纹、层状结构体等,且存在凹坑、沟槽等缺陷。其次研究了边缘破损形式及产生机理,当刀具运动到出口棱边处,刀尖应力集中处将产生微裂纹,并向工件侧面扩展,从而在加工表面和加工侧面诱导形成边缘破损。最后基于均匀设计试验,分析了工艺条件对加工性能的影响。结果表明:随着切削深度从0. 2增加到0. 5 mm和切削宽度从1增加到4 mm时,x轴切削力呈耦合增长,y轴切削力呈二次方增长;当切削深度和切削宽度分别为0. 2 mm和1 mm、进给速度为500 mm/min时,加工表面粗糙度值最小;转速为2 000 r/min、切削深度和切削宽度最小时,边缘破损幅值最小。此结果可为提高透波性Si3N4陶瓷铣削加工质量提供技术支撑。     

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%。     

高能超声辅助原位合成Al-Cr/Al复合材料

采用高能超声辅助铸造法制备Al-Cr金属间化合物/Al原位复合材料.利用扫描电镜观察复合材料中增强体颗粒的大小、形貌和分布,应用XRD、EDS对复合材料进行物相分析,并研究复合材料的硬度.结果表明:通过高能超声辅助铸造法制备的Al-Cr/Al原位复合材料中金属间化合物增强体颗粒呈多边形,尺寸较为细小,分布均匀;原位反应时Al和Cr首先生成Al0.983Cr0.017金属间化合物,随着Cr含量的增加,然后生成高Cr化合物;随着温度的升高,有利于更稳定、性能更好的化合物生成;这些金属间化合物会相互扩散,最终形成均匀的混合增强相,并保持Al,Cr的原子比例不变;复合材料的硬度随Cr含量的增加而增加,随Cr颗粒尺寸的增加而具有最大值,当Cr含量为10％,粒径为75 μm时,复合材料硬度增加了2.5倍.     

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。     

SiCp/Al复合材料切削仿真研究

文摘针对SiC_p/Al复合材料的难加工性,建立了二维有限元切削模型,利用ABAQUS完成复合材料正交切削的动态物理仿真。通过仿真与实验结果的比较,验证模型的准确性。同时,利用该切削模型分析颗粒分布形式、直径及刀尖圆弧半径对切削力的影响。结果表明,SiC颗粒的分布形式对切屑形态和切削力具有明显的影响,颗粒形成团簇不利于复合材料加工。切削力随颗粒直径的增大而减小,随刀尖圆弧半径的增大而增大。     

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。      

航空用原位颗粒增强铝基复合材料研制与发展

与外加颗粒法相比,原位自生法制备的颗粒尺寸小、表面干净且与基体界面结合强度高,使得铝基复合材料具有高比强度、高比模量以及良好的强塑性匹配等优势。因此,原位自生铝基复合材料是航空航天结构件轻量化设计的理想材料之一。从原位自生TiB₂颗粒增强铝基复合材料制备、组元配比优化设计、性能与强韧化机制等三个方面总结其研究现状,同时梳理了原位自生TiB₂颗粒增强铝基复合材料存在问题与未来发展方向,以期望促进原位自生铝基复合材料在民航客机等航空高端领域快速发展。