【摘 要】
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采用高性能复合材料进行精密制造已经成为航天航空、国防等领域高端装备发展的重要方向。在SiCp/Al复合材料微细铣削过程中,由于切削尺度较小,该材料微观组织结构不能忽略,刀具与陶瓷颗粒增强相、金属基体以及界面层切触情况复杂,切削变形区中增强颗粒损伤模式难以判定,给SiCp/Al复合材料微细铣削过程切削力、刀具磨损精确建模带来了挑战。此外,切削区域存在大量的高硬度陶瓷颗粒使得该材料的可切削性较差,需要
【基金项目】
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国家杰出青年科学基金项目“数控加工技术与装备”（编号:51625502）； 国家自然科学基金创新研究群体项目“高性能数字制造装备的基础研究”（编号:51721092）； 国家自然科学基金青年科学基金项目“介观尺度应变梯度强化作用下微薄壁铣削加工变形预测与参数优化”（编号:51805191）；
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采用高性能复合材料进行精密制造已经成为航天航空、国防等领域高端装备发展的重要方向。在SiCp/Al复合材料微细铣削过程中,由于切削尺度较小,该材料微观组织结构不能忽略,刀具与陶瓷颗粒增强相、金属基体以及界面层切触情况复杂,切削变形区中增强颗粒损伤模式难以判定,给SiCp/Al复合材料微细铣削过程切削力、刀具磨损精确建模带来了挑战。此外,切削区域存在大量的高硬度陶瓷颗粒使得该材料的可切削性较差,需要探索新的工艺方法尝试解决该材料切削过程中增强颗粒引起的刀具过量磨损和表面完整性差的问题。因此,提出考虑材料微观组织结构和尺度效应的微细铣削切削力、刀具磨损精确预测模型以及表面激光加热处理与精密铣削相结合的工艺方法具有重要意义。本文围绕SiCp/Al复合材料微细铣削加工机理与可切削性增强工艺开展研究,主要内容如下:建立了考虑界面失效的SiCp/Al复合材料微细铣削切削力解析预测模型。基于Nardin-Schultz模型提出了一种计算界面失效引起的增强颗粒脱粘力的新方法。基于Weibull模型提出了一种计算切削过程中增强颗粒脱粘和断裂损伤概率的方法。考虑增强颗粒的二体磨损和三体滚动提出了前刀面滑动摩擦系数的计算模型。考虑了剪切区和犁切区中增强颗粒的脱粘损伤、犁切区中增强颗粒的断裂损伤以及金属基体的剪切力和犁切力,实现了陶瓷颗粒增强金属基复合材料微细铣削过程切削力的精确预测。分析了界面失效、增强颗粒和刃口圆弧半径对SiCp/Al复合材料微细铣削过程的影响机理与规律。揭示了SiCp/Al复合材料微细铣削过程中PCD微径刀具后刀面磨损进程与机理。建立了包含二体磨粒磨损、三体磨粒磨损以及粘着磨损的SiCp/Al复合材料微细铣削刀具后刀面磨损率解析预测模型,该模型中考虑了陶瓷颗粒增强金属基复合材料的磨损特性、增强颗粒真实尺寸的概率分布、工件材料粗糙内的增强颗粒团聚效应以及微切削的尺度效应。分析了不同磨损机理、增强颗粒、加工参数与刀具几何参数对SiCp/Al复合材料微细铣削过程刀具后刀面磨损的影响机理与规律。为了改善SiCp/Al复合材料切削过程中切削抗力大、刀具磨损快以及表面完整性不理想等问题,提出了一种表面激光加热处理与精密铣削相结合的加工方法。研究了不同激光处理参数和增强颗粒体积分数对激光作用区域的影响规律。建立了适用于SiCp/Al复合材料的激光加热温度场有限元模型,结合温度场模型揭示了优选参数下激光作用区微观组织结构形成机理。对实验车间和精密铣削实验平台进行了改造升级以满足SiCp/Al复合材料精密铣削要求。对比研究了激光作用区和原始区在切削力和刀具磨损等方面的差异,揭示了SiCp/Al复合材料激光作用区可切削性的改善机理。在上述基础上,在20vol%SiCp/2a14Al复合材料和40vol%SiCp/Al复合材料上对所提出的加工方法进行了工艺验证。
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