【摘 要】
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碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)具有高硬度、耐磨性、低密度、高强度等卓越性能。作为一种新型的高温材料,Cf/SiC材料已经被广泛应用于航空航天、交通等领域。但是Cf/SiC材料加工技术研究目前仍处于初级阶段,Cf/SiC材料加工质量难以保证,严重阻碍了其使用和发展。Cf/SiC材料具有各向异性的特点,基体和纤维具有不同的强度和刚度,存在强度较弱的界面层,在受力时易出现界面脱粘。传统的
【基金项目】
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项目名称:航空发动机单晶零件磨削加工工艺理论与技术基础研究(项目编号:51775100),经费来源:国家自然科学基金委,起止年月:2018年1月-2021年12月; f/SiC复合材料磨削加工机理及工艺优化研究(项目编号:N180306001),经费来源:中央高校,起止年月:2019年1月-2020年12月','','');
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碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)具有高硬度、耐磨性、低密度、高强度等卓越性能。作为一种新型的高温材料,Cf/SiC材料已经被广泛应用于航空航天、交通等领域。但是Cf/SiC材料加工技术研究目前仍处于初级阶段,Cf/SiC材料加工质量难以保证,严重阻碍了其使用和发展。Cf/SiC材料具有各向异性的特点,基体和纤维具有不同的强度和刚度,存在强度较弱的界面层,在受力时易出现界面脱粘。传统的磨削机理不能完全适用于复合材料的磨削加工,需要结合传统磨削理论,研究陶瓷基复合材料的磨削加工机理。Cf/SiC材料多种材料混杂结构,使加工去除过程中存在纤维脱出,纤维露头,基体裂纹,界面层脱粘,亚表面裂纹等缺陷。为了控制表面加工质量,需要探明不同加工参数对陶瓷基复合材料磨削加工表面完整性以及磨削力的影响规律。论文就加工机理和工艺优化两方面内容进行了探索性研究。主要研究内容有:(1)根据碳纤维和SiC脆性材料的材料性质,结合脆性固体压痕力学和磨削机理,研究三种典型纤维角度的1D Cf/SiC材料的磨屑形成机理;从裂纹延展的角度分析介绍了材料去除时界面分层和纤维增韧的过程;对磨削过程中由纤维位置不同造成的去除机理的变化进行了补充介绍。(2)对磨削力进行了系统性的研究。通过2.5DCf/SiC和SiC材料的单因素试验,探讨了不同加工参数和纤维角度对磨削力的影响和演化趋势。此外,通过正交试验,分析了磨削力影响因素之间的相关性,对磨削加工的工艺参数进行了工艺优化。(3)对Cf/SiC材料磨削表面完整性进行了深入研究,分析了不同加工参数和纤维角度对表面质量的影响和演化趋势,分析了工艺参数等因素之间对表面质量影响的相关性,对磨削加工的表面质量进行了工艺参数优化并得出了相关结论。通过观测已加工表面形貌特征、磨屑和亚表面损伤,从机理上分析了其形成的原因,以及这些形貌特征对表面质量产生的的影响,得出了相关结论。(4)使用Abaqus软件,建立了 1D Cf/SiC材料的三维细观模型,仿真模拟了磨削过程。通过VUMAT子程序对碳纤维材料本构和损伤准则进行定义,将磨削力与试验结果进行对比,验证了模型的准确性。通过仿真结果验证了不同纤维角度下材料的去除机理。
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