《SiCpAl复合材料钻削加工的棱边缺陷研究硕士学位论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《SiCpAl复合材料钻削加工的棱边缺陷研究硕士学位论文.docx(82页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、目 录摘 要SiCp/Al复合材料具有良好的物理及力学性能,因此,受到科研界人士的高度重视。由于sic增强颗粒的加入使其给切削加工带来诸多不便,在加工结束后工件边缘位置经常会出现崩边、碎裂及剥落等棱边缺陷,这将使得其在实际应用中的使用价值降低。本文通过有限元与实验相结合的方法对SiCp/Al复合材料的钻削过程中棱边缺陷的形成机理及影响因素进行研究,并将结果与实验结果进行对比,阐述出有限元方法与实验方法存在差别的原因。具体研究工作如下:首先,通过有限元方法对钻削过程中棱边缺陷的形成机理进行具体叙述,假如复合材料为均匀的各向同性,其棱边缺陷的形成过程简要分为四个过程:剪切变形阶段,应力传播阶段,扭
2、曲变形阶段,棱边缺陷形成阶段;并将有限元仿真结果与实验结果相比较,阐述它们存在差别的原因;产生棱边缺陷离不开切削力的作用,通过分析拉应力和压应力的作用来进一步理解棱边缺陷形成机理。其次,通过有限元方法对建立了SiCp/Al复合材料的微观有限元模型,因为该模型更能贴近实际的材料结构,由此将钻削过程分为五个阶段:剪切变形阶段、微裂纹萌生阶段、明显应力传播阶段、断裂形成阶段、棱边缺陷形成阶段;同时,研究了切削参数对切削力及棱边缺陷的影响规律,结果表明随着进给速度的增加切削力及棱边缺陷值均呈增大趋势;将两种不同的仿真结果进行对比研究,得出结论包括增强颗粒的微观模型的棱边缺陷值大于均匀模型的棱边缺陷值;
3、最后研究增强颗粒的体积分数对棱边缺陷及切削力的影响,得出结论随着体积分数的增加棱边缺陷及切削力均呈增大的趋势。最后,通过实验的方法研究了切屑与棱边缺陷的关系、棱边缺陷形貌形成的原因;采用正交实验方法对棱边缺陷的影响因素进行研究,并通过回归分析的方法对其进行验证,两者结果均得出进给量对棱边缺陷的影响最大,其次为sic颗粒的体积分数,最后为切削速度的影响;将部件进行添加挡板处理,对其进行变应力的有限元仿真,结果表明棱边缺陷值有很大程度的减少。关键词:SiCp/Al复合材料;钻削;棱边缺陷;有限元分析;实验研究; AbstractBecause SiCp/Al composite materials
4、 had good physical and mechanical properties, so the people from scientific community have attached great importance to it. But its good performance also brought many difficulties to machining. For example on the edge of workpiece frequently appeared side damage, fracture and edge defects after the
5、machining, these phenomena were edge defects which would reduced its use value in practical application.In this paper, through combining the finite element and experimental analyzed the formation mechanism and influencing factors of edge defects of SiCp/Al composite materials during the process of d
6、rilling. Comparing the experimental results with the experimental results, he paper would expounded the reason why there were differences between the finite element method and experiment method. The specific research work as followed: First of all, using finite element method introduced the formatio
7、n mechanism of edge defects during the process of drilling, the formation process which didnt add reinforcing particles was briefly divided into four processes: the phase of shear deformation, stress transmission, distortion and edge effect formation. The following compared finite element simulation
8、 results with experimental results, expounded the reason why there were a difference. Through the analysis of the role of tensile stress and compressive stress further understood the formation mechanism of edge defects.The second, using finite element method studied composite materials which were ad
9、ded reinforcing particles in the simulation. The finite element simulation added reinforcing particles could be more close to actual, so drilling process could be divided into five stages: the stages of shear deformation, micro crack initiation, obvious stress transmission, formation of fracture and
10、 formation of edge defect. Because in the researching process of edge defect the effect of cutting force couldnt be lacked, so the cutting parameters must be studied how did it influence on cutting force and the edge defect. Through the study concluded that with the increase of feed speed cutting fo
11、rce and the value of edge defect were both increased. At the same time due to the composite materials added or not added particle composites were studied by using finite element methods, so you need to contrast the difference between them. Comparing the simulation results of the two studies, it conc
12、luded that the value of edge defect of composite materials added particle composites was greater than that composite materials not added particle composites. Nest it was studying that how did the volume fraction of reinforcing particles affect the edge defects and the cutting force, through the stud
13、y concluded that with the increase of volume fraction edge defects and the cutting force both showed a trend of increase. Finally, the number of edge defects and the cutting force were obtained through the experiment. Through the analysis of formation mechanism of export edge defects in the process
14、of cutting drill provided theoretical basis for the following experiment. After that analysising the relationship between the chip and edge defects, showed the similarities and differences between chip morphology and the size of edge defects. At last, through the orthogonal experiment found out the
15、biggest factor that influence the edge defects, and using regression analysis further expounded the results of orthogonal experiment. Keywords: SiCp/Al composite materials;drill;edge defects;finite element analysis; experimental study;目 录第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 金属基复合材料的研究现状21.2.1 金属基复合材料表面质量及棱边质量的
16、研究现状21.2.2 金属基复合材料钻削加工的研究现状51.2.3 对SiCp/Al复合材料切削性能及材料性能的研究现状71.3 课题研究的主要内容9第2章 碳化硅铝基复合材料钻削加工的形成机理研究102.1引言102.2钻孔棱边缺陷的有限元研究112.2.1几何模型和边界条件的建立112.2.2本构关系的建立122.2.3单元类型和网格划分132.2.4分析类型和接触的设置132.3钻削过程中棱边缺陷形成的有限元分析142.4 有限元研究所得的棱边缺陷值与实验的进行对比162.5 工件所受应力对棱边缺陷的影响172.5.1钻削过程中钻削力的来源172.5.2有限元仿真的简要叙述182.5.3
17、对工件所受应力进行有限元研究192.6本章小结21第3章 切削参数、材料的体积分数对棱边缺陷的影响233.1前言233.2钻削棱边缺陷的有限元研究233.2.1几何模型的建立233.2.2材料的本构关系及特性的确立243.2.3单元类型和网格划分253.2.4模型的装配及边界条件的建立253.2.5分析类型和接触的设置263.3铝基碳化硅复合材料钻削加工的棱边缺陷形成过程263.4切削参数对切削力及棱边缺陷的影响303.4.1钻削轴向力波形图的比较313.4.2进给量对切削力的影响及与实验的比较323.4.3进给量对棱边缺陷的影响343.5有限元仿真的对比363.5.1产生入口棱边缺陷的区别3
18、63.5.2工件所发生形貌的对比363.5.3两者等效应力进行对比363.5.4两者出口棱边缺陷的大小对比373.6增强颗粒的体积分数对切削力及棱边缺陷的影响373.6.1增强颗粒的体积分数对切削力的影响393.6.2增强颗粒的体积分数对棱边缺陷的影响403.7本章小结41第4章 对碳化硅铝基复合材料钻削加工的棱边缺陷实验研究 424.1引言434.2实验条件及方案434.2.1 工件材料434.2.2 实验机床444.2.3 钻削刀具454.2.4切削力测量系统454.2.5 钻孔棱边缺陷三维形貌检测系统464.2.6 实验方案474.3 对钻削过程中出口棱边缺陷的形成机理进行简要分析484
19、.4对切屑与棱边缺陷之间存在的关系进行分析484.4.1 切屑及棱边缺陷的形成机理494.4.2 各因素对切屑和棱边缺陷的影响494.4.3 切屑与棱边缺陷的关系及原因504.5钻削出口棱边缺陷的主要形式及形成原因514.5.1 基体韧性断裂为主及原因514.5.2 增强颗粒大面积断裂为主及原因524.5.3 颗粒脱落为主及原因524.6本章小结53第5章 SiCp/Al复合材料钻削加工棱边质量的控制策略研究545.1 引言545.2 基于本文采用关联图法分析各因素对棱边缺陷的影响545.3 钻削加工SiCp/Al复合材料棱边质量的控制方法及应用555.3.1 应用正交实验对棱边缺陷进行分析5
20、55.3.2 应用spss软件确立各参数对棱边缺陷的影响595.4 运用有限元法对变应力钻削进行研究.605.5 结论66结 论68参考文献69攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果73致 谢74第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义复合材料在性能和功能上远远超出其单质组分的性能和功能,通过不同尺度、不同层次上结构设计、结构优化使其产生原单质材料根本不具备的全新的高性能与新功能。由于这个特点使其成为最富有研究潜力的战略性结构材料,因此受到足够多的重视。本论文所要研究的是由SiC颗粒作为材料的增强体,以铝作为基体一种材料,其属于颗粒增强型铝基复合材料;其所具有高比强度和比刚度、
21、耐磨耐高温、较低热膨胀系数、良好的疲劳性能和断裂韧性等优良性能,使其在航空航天、先进武器、卫星等领域获得了广泛的关注。由于SiCp/Al复合材料具有较高的抗压能力,如此,将此优点应用到飞机上。早在20世纪80年代,低体积分数的SiCp/Al复合材料便作为非主承载结构件而成功的应用到飞机上,随着科学技术的发展,对该种复合材料进行深入的研究探讨,现已将SiCp/Al复合材料作为主承载件应用到先进飞机上1;由于SiCp/Al复合材料具有较高的比刚度,如此,此优点也得到应用,如图1.1所示,DWA公司与洛克希德马丁公司及美国空军合作,应用刚度比较高的SiCp/Al复合材料代替原有的铝合金蒙皮,则使F-
22、16战斗机的腹鳍寿命由原来的几百小时提高到6000h、刚度相应的提高50%左右,此举给美国空军的军费开销节省2100万美元,现美国空军正逐渐的更换SiCp/Al复合材料腹鳍2-4;同树脂基复合材料相比,SiCp/Al复合材料具有更强的耐冲击能力和耐冲蚀能力,如图1.2所示,在20世纪90年代,普惠公司将DWA公司研制的挤压态SiCp/Al复合材料成功的被应用为波音777飞机发动机的风扇出口导流叶片;美国将高体积分数SiCp/Al复合材料作为三叉戟导弹的惯性导向球及其管型测量单元的检查口盖5;由于我国对SiCp/Al复合材料研究较晚,但是进步很快,由我国自主研发制备的SiCp/Al复合材料的卫星
23、相机零件同以往用的钛合金相比,有两个显著的优点,一是质量降低了35%,但是传热性提高了10倍6。 图1.1 F-16战斗机的腹鳍 图1.2 PW4000涡轮风扇发动机出口导流叶片Fig1.1 F - 16 fighter pelvic fins Fig1.2 PW4000 turbofan exit guide vane综上所述,因为SiCp/Al复合材料具有优异的物理及力学性能,使其在航空航天、先进武器、卫星等领域获得了非常成功的应用,主要体现在:一是应用SiCp/Al复合材料所研制出的新产品在性能方面得到了应有的提高,二是给公司或者国家避免不必要的损失。但是,随着制造业的不断进步,对SiC
24、p/Al复合材料的表面质量及棱边质量要求越来越高,因为表面质量的不达标,将给该材料的使用带来诸多麻烦7。目前,对于SiCp/Al复合材料的表面质量的切削、磨削的研究较多,对钻削加工的表面及棱边质量研究的相对较少;对于SiCp/Al复合材料的研究均停留在低体积分数上,对于高体积分数的SiCp/Al复合材料研究相对较少。本课题主要针对的为高体积分数SiCp/Al复合材料钻削加工的棱边缺陷研究,主要分析棱边缺陷的形成机理,通过对棱边缺陷形成的各个阶段进行分析得出应力对棱边缺陷的影响规律,由此还可得到工件在各个阶段细微的变化。这为今后进一步研究SiCp/Al复合材料的棱边缺陷奠定理论基础。1.2 金属
25、基复合材料的研究现状1.2.1 金属基复合材料表面质量及棱边质量的研究现状华南理工大学的全燕鸣等对复合材料的切削加工表面结构与表面粗糙度进行研究,经研究表明,对于颗粒增强型复合材料而言,由于增强颗粒与基体的结合强度不同及颗粒本身的粒度不同使得其加工表面的粗糙度不尽相同;对于短纤维或晶须增强型的复合材料而言,由于某些纤维或晶须被拔出,或是被压倒均可以导致表面粗糙度的不同,该材料的表面粗糙度还取决于其切削方向与短纤维或晶须间的夹角;影响复合材料已加工表面的粗糙度的因素有材料本身的性能、增强颗粒的尺寸、形状及分布状态、加工条件等8。来自沈阳工业大学的于晓琳等对高体积分数SiCp/Al 复合材料精密磨
26、削机理及表面评价进行研究。经研究表明,湿式和干式磨削是通过SiC颗粒的脆性去除形成最终的表面,其难以形成高完整性的加工表面;冷冻磨削是通过SiC颗粒的脆性去除和塑性去除,两种颗粒的去除方式形成最终的表面,加工表面质量优于湿式和干式磨削;ELID磨削时通过SiC颗粒的塑性去除方式形成最终的表面,其加工表面质量优于前两种磨削方式的加工表面质量;从不同的磨削工艺角度分析,影响SiCp/Al复合材料的表面质量由优到劣的顺序依次为ELID磨削、低温冷冻磨削、湿式磨削、干式磨削9。来自大连理工大学的周鹏等对碳纤维复合材料工件切削表面粗糙度测量与评价方法进行研究。经研究表明,在加工C/C时,为了获得较低的表
27、面粗糙度应将铣削加工进给速度尽量减小,应提高转速和选择恰当的切削深度;而在进行车削加工时,应选择较小的进给速度、转速及切削深度,对于CPH材料来说,为了获得较低的表面粗糙度,在铣削加工中应选择较小的进给速度,较高的主轴转速,而在车削加工中,应选择较小的进给量及切削深度,较高的主轴转速;铣削C/C材料时,应该选择AL2O3涂层刀具;车削C/C材料时,应选择硬质合金(TiN涂层)刀具;当车削C/C和C/Ph材料时,其表面质量随着刀尖圆弧半径的减小而变差,当刀尖圆弧半径为2mm时,其表面质量最好;使用三维幅度参数和空间参数对C/C、编织C/Ph、涂层C/Ph复合材料和硬铝表面进行评定之后发现,在这几
28、种材料表面上并没有出现类似于金属切削过程中出现的进给波纹、明显及不平的加工波峰和波谷,其具有一种随机的特性,其归结为脆性材料的缘故10。来自法国INSA-Lyon大学的Yingying Wang等通过实验的方法对SiCp/Al 复合材料冷喷涂层的微观形貌及损伤行为进行研究。其所使用的复合材料所含的元素为C、O、Mg、Al、Si等。所用到辅助仪器包括:扫描电镜,其作用为观测涂层的微观形貌;三维光学显微镜,其作用为观察气孔的形态学。实验研究的大体思路为,首先观察纯铝与SiCp/Al 复合材料涂层的表面形貌的异同,之后对复合材料涂层进行重点分析,最后研究复合材料涂层在溶液中是否有腐蚀现象发生。经研究
29、表明:SiC颗粒的加入使得涂层表面气孔的体积分数降低;SiC颗粒的尺寸增大,则产生的裂纹增多;原料中SiC体积分数为15%,在复合材料中SiC颗粒的体积分数为20.1%,其是由于在喷射的过程中,SiC颗粒所获得的动量大于Al基体的动量;SiC颗粒体积分数的增加,可以促使复合材料的密度增加,但是也使复合材料气孔的体积分数增加;由于涂层中含有裂纹,则溶液渗入腐蚀材料表面,最终致使颗粒从表面脱落形成新表面11。来自南京航空航天大学贺虎等对碳纤维复合材料(CFRP)钻孔出入口缺陷进行研究,研究结果表明,已加工孔的出口与入口棱边缺陷主要包含撕裂、毛刺和啃边等,其中撕裂是出现次数最多,在研究该缺陷时,其应
30、用撕裂因子Ld=L/D公式对其进行研究,并得出结论,若想控制出口与入口棱边缺陷必须控制进给速度12。来自北京航空航天大学的张厚江等对碳纤维复合材料钻孔出口缺陷进行了试验研究。对缺陷典型形式应用有限元方法进行验证,得出孔的出口棱边缺陷主要由撕裂和毛边组成,其中撕裂尺寸相对大些,其形成过程大体包括两个阶段,即来自于横刃的作用阶段及主切削刃的作用阶段,其中横刃作用占主导地位。毛边缺陷多数会出现在表层纤维被“顺向”剪切孔的边缘部分。评价孔出口两侧撕裂时,应用长度平均值作为撕裂评价参数,得出结论为撕裂缺陷随着进给量、钻头直径和轴向力的增大而变得更加严重。转速的提高会使撕裂值减小13-16。来自江苏大学王
31、贵成等通过实验的方法对切削加工产生的毛刺进行了系统研究,并且研制除了钻削毛刺控制专家系统。其将在切削过程中所产生的毛刺分为:切入与切出两种方向的毛刺,其又将切出方向的毛刺细划分为另外三种形式。其认为影响毛刺的形貌的主要因素有工件材料性能、切削用量、刀具几何参数、刀具表面与切屑的接触形态等17-18。来自德国卡尔斯鲁厄大学制造技术研究所的V.Schulze等在对复合材料最小棱边缺陷制孔工艺研究时指出,切削力对孔的棱边缺陷有着至关重要的影响,然而在钻削参数中,进给量对孔的缺陷影响最大,如果进给量较大,其会导致较大的棱边缺陷19-21。1.2.2 金属基复合材料钻削加工的研究现状 沈阳理工大学的白大
32、山等通过有限元及实验的方法对SiCp/Al 复合材料高效精密钻削机理进行研究。其通过DEFORM有限元软件对钻削过程进行细致分析得出结论:钻削轴向力和扭矩均随着进给量的增加而呈增大的趋势,而当切削速度变化时,钻穴轴向力和扭矩没有明显的变化;经过实验验证得知,有限元结果与实验结果相似,并且在干湿两种钻削方式下均是如此;其还对SiCp/Al复合材料的表面质量及切屑的形貌进行研究,孔的轴向表面粗糙度随着切削速度的增大而呈增大的趋势,在干湿两种情况下,切屑主要呈现不连续锯齿形切屑和崩碎状切屑22。 东北大学的向志杨等对难加工材料的钻削过程中断屑技术进行研究,其通过实验的方法对其进行研究。经研究表明,钻
33、头的几何参数对断屑有影响。其中影响较大的有钻头前角、主偏角等,钻头前角减小则可使切屑与前刀面的接触长度变短,即使切屑变形加大,促使其折断;切削的厚度随着主偏角的减小而变薄,则使切屑很难折断。切削速度的增大会使切屑的容积系数增大,致使切屑不易折断;切削深度增加则会使切屑碎断性较差;通过上述研究,要得到断屑必须进行钻削槽的设置,其中断屑槽有利有弊,弊处为其使钻头的刚度降低,及不能保证得到稳定的断屑,为了得到更加稳定的钻屑其研究出振荡钻削断屑法,通过实验可知,该方法可以得到稳定的断屑23。 山东大学的李桂玉等对叠层复合材料钻削加工的缺陷产生机理进行研究,其研究思路为,通过正交实验的方法得出最优参数值
34、,之后进行对其研究。经研究表明,孔壁处的表面粗糙度随着主轴转速的增加而呈增大的趋势;表面支撑性能随着主轴转速的提高而有所改善24-25。 大连交通大学的藤涛等通过实验与有限元的方法对高锰钢(ZGMn13)钻削过程中的钻削力及温度进行研究。其研究思路为先通过准静态压缩试验和Hopkinson压杆实验测出相关数据最后求出所需要的本构关系,之后通过有限元进行研究,最后通过实验的方法得到验证。经研究表明,通过对钻削过程中切削力及温度进行仿真研究并与实验值进行对比,切削力的变化趋势与实验切削力的变化趋势大体相同,得知有限元方法的可行性;在对温度进行仿真时得出,钻削温度沿切削刃由内而外逐渐升高,最高温度出
35、现在靠主切削刃的中间处,在切削刃靠近工件底部外缘处,温度的下降极快,但其横刃处的温度达到最高状态;钻削温度随着进给量的增加而呈现增大的趋势,切削速度对温度的影响要强于进给量对其影响26-27。 沈阳理工的赵鹏等通过实验的方法对SiCp/Al复合材料的钻削过程所形成的棱边缺陷进行研究。经研究表明,入口棱边缺陷大体分为宏观断裂缺口、颗粒脱落、颗粒断裂及破碎、塑性凸起等,并分析了它们的形成机理;出口棱边缺陷大体分为大范围冲裂、基体韧性断裂、颗粒脱落等,也分析了它们的形成机理;又分析了切削参数对切削力的影响,表明切削力随着进给量的增加而变大,而切削速度对其影响不大;切削速度与进给量的比值越小,则棱边缺
36、陷值越小;得知PCD钻头对高体积分数、大颗粒尺寸的复合材料进行钻削的理想参数为Vf=200300mm/min;利用spss软件对棱边缺陷值进行分类,将其分为三类,第一类属于端面尺寸小,柱面尺寸大,在棱边缺陷中所占比例较少,第二类属于端面尺寸和柱面尺寸都较小,在棱边缺陷中所占比列较高,第三类属于尺寸大且占比例较大28。 来自丹麦的Luk Piln等通过实验的方法对铝基复合材料进行钻削加工所产生毛边的去除方法进行研究,其所使用的各种材料体积分数分为:Si(11.3%)、Fe(16%)、Cu(4.8%)、Mg(47.6%)、Zn(0.3%)等诸多元素,所用到的测量实验仪器包括:三维景象测试仪,其在实
37、验中的作用为测量毛边的高度、宽度及底边宽度;真空夹紧装置,其作用为控制毛边形成的空间;测力仪,其作用为测量切削过程中切削力的大小。实验研究的思路主要通过改变钻削参数、刀具的几何特性及夹紧装置对毛边的形成进行研究,在研究一种情形时,其它情形不改变,也就是该实验研究采用单因素研究方法。经研究表明,出口毛边的高度和宽度均随着切削速度的增加而减少,随着进给速度的增加而增大;同最初没有采用真空夹紧装置进行对比得出,采用真空夹紧装置时,其出口毛边的尺寸值减小到原来的50%;具有三个螺旋槽的钻头,其切削之后所产生的切削力相对于含有两个螺旋槽钻头减小到50%,另外,含有两个螺旋槽的钻头,其所产生的毛边高度相对
38、于含有三个螺旋槽的钻头增加2-3毫米29。来自台湾的C.C.Tsao等通过实验的方法对碳纤维加强复合材料层压板的钻削加工所产生的钻削力进行研究,所用到的测量实验仪器包括:超声波输出/接收仪,其作用为扫描钻削结束后工件的分层情况;数字示波器,其作用为接受无线电反射频率;自动侦测装置,其作用为侦查所出现的材料分层。其所采用的思路为通过正交实验的方法寻求出最佳的参数、钻头工作部分的最佳长度及内半径的大小来获得最小的钻削力,此亦为单因素方法。经研究表明,消极切削速度与积极切削速度相比,其更难能减小切削分层及切屑的阻塞情况(消极切削速度指内径方向与外径方向相反);更小的进给速度和消极切削速度可使切削力减
39、小;切削力及材料分层随着进给速度的减小而减少;在切削速度、进给速度、钻头工作部分长度、内径钻削方式、内部钻头直径五个影响切削力的因素中,切削速度、进给速度及内部钻削方式起主导作用,其它两个因素对切削力影响效果不大30。1.2.3 对SiCp/Al复合材料切削性能及材料性能的研究现状河南理工大学的董小磊等对SiCp/Al复合材料超声波铣削后的材料机理进行研究。其所用到的实验仪器包括:超声波振动加工系统,其作用为给工件提供一定的振动,半人工热电偶测温装置,其作用为测量实验中所产生的温度;经研究表明,理论所得出的数据与实验数据大体一致,验证了理论模型的可行性;切削参数中切削速度对温度的影响最大,其次
40、为进给量,切削深度的影响最小,且切削温度随着切削速度、进给量及切削深度的增加而呈增大的趋势;应用PCD刀具所产生的切削力小于YG6刀具所产生的;切削力随着切削速度、进给量及切削深度的增加而呈增加的趋势,铣削速度及进给量对切削力影响较大;在相同的切削参数的情况下,应用PCD刀具所产生的表面粗糙度和刀具磨损均要强于YG6刀具31。河南理工大学的岳广喜等对SiCp/Al复合材料进行超声纵-扭振动高速铣削研究,其实验所用到的材料属于高体积分数。研究结果表明,所研制的超声纵-扭振动声学系统可以提高加工稳定性;提高刀具散热条件,降低摩擦系数;提高刀具的刚性等特点。使用超声纵-扭振动声学系统还可以使材料的去
41、除机理发生明显变化,颗粒的断裂形式大部分为剪断,极少部分为破碎;同时经研究还得到铣削深度对表面质量的影响效果最大,铣削速度影响效果最小32。沈阳理工大学的侯宁等通过有限元及实验方法对SiCp/Al复合材料的棱边缺陷进行切削加工研究,其所用的实验材料为高体积分数的SiCp/Al复合材料。对复合材料的研究结果表明,棱边缺陷形成的主要原因是由裂纹的萌生和扩展导致的;切削中所产生的拉应力有助于裂纹的萌生和扩展,压应力则抑制裂纹的萌生和扩展;在切削三要素中棱边缺陷随着切削深度的增加而呈增加的趋势,随着刀具前角的增大而呈减小的趋势,而随着切削速度的变化,其变化不大33。哈尔滨工业大学的雷廷权等对碳化硅铝基
42、复合材料切削过程中的塑性变形进行研究及对金属基复合材料的高应变超塑性进行简要分析,总结了其三种变形机制:晶界滑移协调机制、液相辅助协调机制和载荷传递机制。认为金属基复合材料塑性很差的原因是脆性增强颗粒加入所导致的,同时增强体在承受小的应力下,就会产生较大应变而断裂,所以说增强体的加入已经改变碳化硅铝基复合材料基体中的微观组织结构和残余应力34-37。哈尔滨工业大学的晏义伍等。应用试验和数值模拟的方法研究了增强颗粒的尺寸对SiCp/Al复合材料性能的影响,其所使用的材料是SiC增强颗粒的体积分数为20%,应用粉末冶金方法制备而成。对复合材料的相关属性研究表明,复合材料的位错密度和热残余应力均是随
43、着SiC增强颗粒的尺寸增大而减小;复合材料的屈服强度、抗拉强度及加工硬化率均是随着SiC增强颗粒尺寸的减小而呈增大的趋势;复合材料的热膨胀系数是随着SiC增强颗粒尺寸的增大而呈增大的趋势;复合材料的导热率随着SiC增强颗粒尺寸的减小而呈增大的趋势。对复合材料的力学性能研究表明,载荷的传递方式也随着SiC增强颗粒的尺寸发生相应的变化,即颗粒尺寸较大时,工件上主要是通过载荷强化机制传递方式传递切削力,当颗粒尺寸较小时,工件上主要通过位错强化机制的方式传递切削力38。哈尔滨工业大学的刘永星等对中和高体积分数的SiCp/7075Al复合材料进行力学性能进行研究,其所应用的材料是采用挤压铸造的方法所获得
44、,其中颗粒大小为5m,体积分数为45%。通过在不同的温度下对7075铝合金和SiCp/7075Al复合材料进行时效处理,得出结论两种材料均在同一时间达到峰时效,且由于SiC增强颗粒的存在使得复合材料在120/24h时具有最高的拉升强度为616.6MPa、提高了基体的位错密度、提高了材料的强度;另在150和180下,则会使复合材料的强度降低39。合肥工业大学的石文超等对SiCp/Al复合材料的组织性能进行研究,其所应用的材料是通过高压扭转法制备而成,其中SiC增强颗粒的尺寸类型包括单尺寸和双尺寸。经研究表明在高的剪切作用和加载压力作用下,当增强颗粒的尺寸较小时,其分布均匀性越好;而当增强颗粒尺寸
45、较大时,其分布均匀性较差;在扭转半径位置相同处,含有单尺寸增强颗粒类型的复合材料,显微硬度随着SiC增强颗粒体积分数的增加而逐渐显现出峰值,随SiC增强颗粒尺寸的增加而减少40。来自澳大利亚悉尼大学的A.Pramanik等人通过有限元方法对SiCp/Al复合材料的切削机理进行研究,经研究表明:在SiCp/Al复合材料切削过程中,复合材料中的增强颗粒被破坏的主要原因有两个,其一是应力的分布状态;其二是增强颗粒与刀具的相互作用。另外,他们还将钻头经过颗粒分为三种情形,其一,钻头从颗粒的边缘通过、其二钻头从颗粒间通过、其三钻头从结合面处经过41。土耳其迪克大学的Tamer Ozben等对SiCp/A
46、l复合材料的机械加工性能进行研究后认为,SIC增强颗粒的存在促使该复合材料的机械加工变得更加困难,而增强颗粒所占的体积分数越大,对刀具磨损程度及加工表面粗糙度的影响情况也显著。而从切削参数角度进行考虑有切削速度对刀具的磨损情况影响更显著些,进给量则对表面粗糙度的影响更显著42。1.3 课题研究的主要内容本课题通过仿真预测-实验验证-数值分析的方法对棱边缺陷的产生,控制进行深入研究。具体工作如下:(1) 建立二维钻削模型进行有限元研究,对切削铝基碳化硅复合材料形成棱边缺陷时的过程进行分析。在切削过程中,分析不同应力对棱边缺陷的影响效果,并阐述它们之间的差异。(2) 为了实现更加接近真实结构的复合
47、材料有限元分析,对二维有限元仿真进行深入研究,建立微观模型,从而将钻削过程更逼真的显现出来。钻削过程的更加逼真,可以清楚的观察到切削力对棱边缺陷的影响;分析切削力对棱边缺陷的影响及与实验进行比较;同样,也要研究进给量及体积分数对棱边缺陷的影响及与实验的对比,以求为之后的钻削研究提供理论依据。(3) 通过实验的方法对棱边缺陷进行理论验证,同时分析棱边缺陷的形成机理,并且对所产生的切屑进行分析,通过了解切屑的形貌、尺寸来对棱边缺陷的尺寸进行判定,其为以后鉴定棱边缺陷提供依据;总结在钻削过程中所产生棱边缺陷的类别及产生原因。(4) 通过正交试验及线性回归分析对棱边缺陷进行数值模拟,通过正交试验来获取影响棱边缺陷的最大因素,再通过线性回归分析进行验证;最后建立变应力方法对棱边缺陷进行控制研究。- 9 -第2章 碳化硅铝基复合材料钻削加工的形成机理研究第2章 碳化硅铝基复合材料钻削加工的形成机理研究2.1引言在切削过程中,钻削加工有着广泛的应用。在多种机器零件上经常需要进行钻孔处理。但是由于钻削加工属于半封闭式加工,存在着切削量大、切屑难以排出等现象,其给钻削加工带来诸多难题。又在钻削过程中,钻头的转速极高,同时钻头与工件存在着摩擦、剪切、挤压等相互作用,导致钻削过程中产生局部温升过高且散热困难、钻头磨损速度加快及钻头崩刃等现象,其中钻头的磨损会增大切削力,继续加工时则会产生弯曲和震动等现
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