發(fā)布時(shí)間：2020-06-20 13:43

【摘要】：金屬基復(fù)合材料相比傳統(tǒng)金屬材料具有更高的強(qiáng)度,更好的高溫尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),優(yōu)異的機(jī)械性能使其在航天航空軍事領(lǐng)域以及汽車制造等領(lǐng)域被廣泛使用。其中顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在成本上相較其他的類型有顯著的優(yōu)勢(shì),其具有更好的各向同性,且相比其他類型具有更高的材料性能定制化程度。在實(shí)際的工程應(yīng)用領(lǐng)域,顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相對(duì)其他金屬基復(fù)合材料具有更為廣泛的市場(chǎng)地位。但是因材料中存在高硬度的顆粒增強(qiáng)相,導(dǎo)致使用傳統(tǒng)的切削加工方式不能獲得良好的加工質(zhì)量,會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)相斷裂、增強(qiáng)相與基體界面破裂和增強(qiáng)相脫落等損傷現(xiàn)象,且隨著增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的提升,會(huì)導(dǎo)致刀具和加工表面的磨損程度隨之上升以及切削所消耗功率的增加。利用電火花加工金屬基復(fù)合材料的表面質(zhì)量得到提高,但加工過程中存在二次放電現(xiàn)象,易引起材料的徑向過切。增大放電電流雖然能提高顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的去除率,但對(duì)于電極的損耗帶來負(fù)面作用。雖然可以通過提高放電參數(shù),改善碎屑的沖刷效率提高電加工方式的效率,但是和傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式相比,電火花加工方式的效率還是明顯不足。工業(yè)應(yīng)用對(duì)材料的去除率有較高的要求。所以針對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,需要研究一種同時(shí)具備效率高以及加工質(zhì)量好的加工方法。激光輔助切削技術(shù)成為目前解決難加工材料高效率加工的一種新途徑,激光良好的可控性是關(guān)鍵因素之一。激光輔助切削是通過激光與材料之間發(fā)生熱作用,在材料被微切削刀具去除前改變其性能,但目前激光輔助切削技術(shù)普遍針對(duì)宏尺度開展研究,在微切削方面鮮有報(bào)道。隨著航空航天、國防工業(yè)、微電子工業(yè)的發(fā)展,對(duì)精密三維復(fù)雜微小結(jié)構(gòu)件的需求日益迫切,為保證系統(tǒng)在高過載、高速度、高旋轉(zhuǎn)等嚴(yán)酷環(huán)境下的高安全可靠性,大量應(yīng)用具有強(qiáng)度高、重量輕、高韌性、高延展性及耐損傷特性的金屬基復(fù)合材料加工微小型薄壁腔體、曲面體等復(fù)雜、異形、集成結(jié)構(gòu),金屬基復(fù)合材料雖提高了微小結(jié)構(gòu)件性能,但也導(dǎo)致加工難度增大。本文將結(jié)合以上優(yōu)勢(shì)在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料激光輔助微切削方面開展研究。通過開展精密微切削實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真模擬計(jì)算相結(jié)合,分析研究激光輔助微切削過程中金屬基復(fù)合材料表面層的微觀缺陷形成原因及其演化規(guī)律,深入探索激光輔助微切削金屬基復(fù)合材料過程的本質(zhì)特征。具體研究?jī)?nèi)容可分為以下幾個(gè)方面:(1)金屬基復(fù)合材料微切削實(shí)驗(yàn)及模擬仿真針對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料,通過構(gòu)建材料本構(gòu)關(guān)系,利用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料微切削過程進(jìn)行仿真,研究增強(qiáng)顆粒相對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料的微切削性能影響規(guī)律。將計(jì)算結(jié)果與相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,由此來修正和完善有限元模擬方法。為SiCp/2024Al復(fù)合材料的微切削特性研究奠定基礎(chǔ)。(2)激光光學(xué)參數(shù)對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料的溫度場(chǎng)以及摩擦磨損性能影響研究針對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料進(jìn)行激光加熱溫度場(chǎng)研究,分析材料導(dǎo)熱系數(shù)與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系,計(jì)算了不同激光功率、運(yùn)動(dòng)速度下的溫度變化;在溫度場(chǎng)分析基礎(chǔ)上開展材料摩擦磨損測(cè)試,分析激光將材料加熱后,材料的摩擦性能變化以及表面磨損規(guī)律,為研究激光參數(shù)以及微切削速度、微切削厚度對(duì)加工表面完整性和刀具磨損等方面的影響規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。(3)激光輔助微切削參數(shù)對(duì)表面層微觀缺陷形成規(guī)律構(gòu)建微切削應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型,結(jié)合溫度場(chǎng)對(duì)材料摩擦及斷裂力學(xué)性能的影響分析不同激光功率及切削參數(shù)對(duì)切削力的影響;針對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料進(jìn)行系列激光輔助微切削實(shí)驗(yàn)。利用ANOVA對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):切削深度、切削速度以及激光功率對(duì)切削力均有顯著影響,其中激光功率對(duì)切削力的影響最大,其次是切削深度和切削速度;切削速度的提高有利于降低表面粗糙度值,但過高的切削速度則會(huì)增加刀具的磨損量并削弱復(fù)合材料表面質(zhì)量。切削深度應(yīng)選擇略大于平均粒徑的范圍。合理的激光功率可以降低約14%的粗糙度值。激光輔助微切削后的表面完整性得到顯著改善。激光輔助微切削過程中刀具同時(shí)存在機(jī)械磨損與化學(xué)磨損兩種形式,并以磨料磨損和黏著磨損為主。切削厚度和激光功率對(duì)刀具的磨損量具有顯著作用,刀具的磨損量隨著激光功率的增大總體呈下降趨勢(shì),當(dāng)激光功率從0W增加到27W時(shí),后刀面磨損量均值降低了38%。通過高速攝影儀觀察、分析激光輔助微切削過程中切屑形成,利用掃描電子顯微鏡對(duì)已加工材料表面層微觀組織變化進(jìn)行觀察,考察材料表面完整性在不同激光能量及微切削參數(shù)條件下的演化特征,分析激光輔助微切削工藝對(duì)復(fù)合材料表面損傷及切削力的影響因素。在此基礎(chǔ)上利用X射線能譜分析儀對(duì)加工過程中的元素變化進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)加工過程中氧化鋁納米顆粒的產(chǎn)生。從納米顆粒的摩擦效應(yīng)、填補(bǔ)效應(yīng)等方面解釋了激光輔助微切削過程中表面完整性改善的原因。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33;TG506
【圖文】：

勢(shì)十分明顯。所以顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在實(shí)際的工程使用上具有更為廣泛的前景。圖1.1 金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)相分類表1-1 不同增強(qiáng)相成本對(duì)比增強(qiáng)相 單價(jià)($/pound)SiC 顆粒 3SiC 晶須 95氧化鋁纖維 200碳纖維(P-100) 950表1-2 典型金屬基復(fù)合材料與金屬和陶瓷性能的對(duì)比材料性能 單位 6061Al 顆粒增強(qiáng)型 纖維增強(qiáng)型 陶瓷強(qiáng)度（軸向） MPa 290 290-480 610-1240 140-3900剛度（軸向） GPa 70 80-140 130-450 97-400比強(qiáng)度（軸向） 100 100-170 250-390 51-670比重 2.5-1.8 2.8 2.5-3.2 2.7-5.8抗撓強(qiáng)度 MPa 290 290-480 30-170 140-3900橫向剛度 GPa 70 80-140 34-173 97-400最大使用溫度 oC 180 300 300 1200-1600平面應(yīng)變斷裂 MPa-M 18-35 12-35 - 3-91.2 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料一般可以通過液相法和固相法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。液相法通過將液相金屬基體與增強(qiáng)相結(jié)合，主要有液態(tài)浸滲、擠壓鑄造、噴射共沉積和原位合成，效率要高于固相法。液相法的缺點(diǎn)在于增強(qiáng)相的分布控制困難，不易獲得均勻基體微結(jié)構(gòu)，且在高溫作用下，基體與顆粒之間會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)影響材料性能。固相法最常見的是粉末冶金技術(shù)。粉末冶金法將材料混合冷壓后燒結(jié)形成復(fù)合材料，此方法的基體材料與增強(qiáng)相易于混合，致密效果好，增強(qiáng)相的分布可控性強(qiáng)，利于材料的各向同性。

車制動(dòng)距離及增加載重能力都得到顯著提升，此類材料還可用于制造汽車的剎車卡鉗、發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞等對(duì)耐磨和耐熱性能要求較高的部件。圖1.3 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在航空和汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取代傳統(tǒng)材料1.3 金屬基復(fù)合材料加工方法目前大部分常用的硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具的硬度低于金屬基復(fù)合材料中強(qiáng)化顆粒的硬度，利用傳統(tǒng)的加工方式加工這種復(fù)合材料將面臨較大的挑戰(zhàn)。通常，若使用合適的刀具類型并匹配適當(dāng)?shù)募庸?shù)，仍可以通過車削、鉆削或銑削等工藝對(duì)這

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2722500