金属基复合材料激光辅助微切削技术研究

发布时间：2020-06-20 13:43

【摘要】：金属基复合材料相比传统金属材料具有更高的强度,更好的高温尺寸稳定性等优点,优异的机械性能使其在航天航空军事领域以及汽车制造等领域被广泛使用。其中颗粒增强金属基复合材料在成本上相较其他的类型有显著的优势,其具有更好的各向同性,且相比其他类型具有更高的材料性能定制化程度。在实际的工程应用领域,颗粒增强金属基复合材料相对其他金属基复合材料具有更为广泛的市场地位。但是因材料中存在高硬度的颗粒增强相,导致使用传统的切削加工方式不能获得良好的加工质量,会出现增强相断裂、增强相与基体界面破裂和增强相脱落等损伤现象,且随着增强相体积分数的提升,会导致刀具和加工表面的磨损程度随之上升以及切削所消耗功率的增加。利用电火花加工金属基复合材料的表面质量得到提高,但加工过程中存在二次放电现象,易引起材料的径向过切。增大放电电流虽然能提高颗粒增强金属基复合材料的去除率,但对于电极的损耗带来负面作用。虽然可以通过提高放电参数,改善碎屑的冲刷效率提高电加工方式的效率,但是和传统的机械加工方式相比,电火花加工方式的效率还是明显不足。工业应用对材料的去除率有较高的要求。所以针对颗粒增强金属基复合材料,需要研究一种同时具备效率高以及加工质量好的加工方法。激光辅助切削技术成为目前解决难加工材料高效率加工的一种新途径,激光良好的可控性是关键因素之一。激光辅助切削是通过激光与材料之间发生热作用,在材料被微切削刀具去除前改变其性能,但目前激光辅助切削技术普遍针对宏尺度开展研究,在微切削方面鲜有报道。随着航空航天、国防工业、微电子工业的发展,对精密三维复杂微小结构件的需求日益迫切,为保证系统在高过载、高速度、高旋转等严酷环境下的高安全可靠性,大量应用具有强度高、重量轻、高韧性、高延展性及耐损伤特性的金属基复合材料加工微小型薄壁腔体、曲面体等复杂、异形、集成结构,金属基复合材料虽提高了微小结构件性能,但也导致加工难度增大。本文将结合以上优势在颗粒增强金属基复合材料激光辅助微切削方面开展研究。通过开展精密微切削实验与数值仿真模拟计算相结合,分析研究激光辅助微切削过程中金属基复合材料表面层的微观缺陷形成原因及其演化规律,深入探索激光辅助微切削金属基复合材料过程的本质特征。具体研究内容可分为以下几个方面:(1)金属基复合材料微切削实验及模拟仿真针对SiCp/2024Al复合材料,通过构建材料本构关系,利用数值模拟计算方法对SiCp/2024Al复合材料微切削过程进行仿真,研究增强颗粒相对SiCp/2024Al复合材料的微切削性能影响规律。将计算结果与相同条件下的实验结果进行对比分析,由此来修正和完善有限元模拟方法。为SiCp/2024Al复合材料的微切削特性研究奠定基础。(2)激光光学参数对SiCp/2024Al复合材料的温度场以及摩擦磨损性能影响研究针对SiCp/2024Al复合材料进行激光加热温度场研究,分析材料导热系数与体积分数的关系,计算了不同激光功率、运动速度下的温度变化;在温度场分析基础上开展材料摩擦磨损测试,分析激光将材料加热后,材料的摩擦性能变化以及表面磨损规律,为研究激光参数以及微切削速度、微切削厚度对加工表面完整性和刀具磨损等方面的影响规律奠定了基础。(3)激光辅助微切削参数对表面层微观缺陷形成规律构建微切削应力场计算模型,结合温度场对材料摩擦及断裂力学性能的影响分析不同激光功率及切削参数对切削力的影响;针对SiCp/2024Al复合材料进行系列激光辅助微切削实验。利用ANOVA对正交实验结果进行分析发现:切削深度、切削速度以及激光功率对切削力均有显著影响,其中激光功率对切削力的影响最大,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,但过高的切削速度则会增加刀具的磨损量并削弱复合材料表面质量。切削深度应选择略大于平均粒径的范围。合理的激光功率可以降低约14%的粗糙度值。激光辅助微切削后的表面完整性得到显著改善。激光辅助微切削过程中刀具同时存在机械磨损与化学磨损两种形式,并以磨料磨损和黏着磨损为主。切削厚度和激光功率对刀具的磨损量具有显著作用,刀具的磨损量随着激光功率的增大总体呈下降趋势,当激光功率从0W增加到27W时,后刀面磨损量均值降低了38%。通过高速摄影仪观察、分析激光辅助微切削过程中切屑形成,利用扫描电子显微镜对已加工材料表面层微观组织变化进行观察,考察材料表面完整性在不同激光能量及微切削参数条件下的演化特征,分析激光辅助微切削工艺对复合材料表面损伤及切削力的影响因素。在此基础上利用X射线能谱分析仪对加工过程中的元素变化进行分析,发现加工过程中氧化铝纳米颗粒的产生。从纳米颗粒的摩擦效应、填补效应等方面解释了激光辅助微切削过程中表面完整性改善的原因。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TG506
【图文】：

增强相,金属基复合材料,分类表,成本

势十分明显。所以颗粒增强金属基复合材料在实际的工程使用上具有更为广泛的前景。图1.1 金属基复合材料增强相分类表1-1 不同增强相成本对比增强相单价($/pound)SiC 颗粒 3SiC 晶须 95氧化铝纤维 200碳纤维(P-100) 950表1-2 典型金属基复合材料与金属和陶瓷性能的对比材料性能单位 6061Al 颗粒增强型纤维增强型陶瓷强度（轴向） MPa 290 290-480 610-1240 140-3900刚度（轴向） GPa 70 80-140 130-450 97-400比强度（轴向） 100 100-170 250-390 51-670比重 2.5-1.8 2.8 2.5-3.2 2.7-5.8抗挠强度 MPa 290 290-480 30-170 140-3900横向刚度 GPa 70 80-140 34-173 97-400最大使用温度 oC 180 300 300 1200-1600平面应变断裂 MPa-M 18-35 12-35 - 3-91.2 颗粒增强金属基复合材料一般可以通过液相法和固相法制备颗粒增强金属基复合材料。液相法通过将液相金属基体与增强相结合，主要有液态浸渗、挤压铸造、喷射共沉积和原位合成，效率要高于固相法。液相法的缺点在于增强相的分布控制困难，不易获得均匀基体微结构，且在高温作用下，基体与颗粒之间会发生界面反应影响材料性能。固相法最常见的是粉末冶金技术。粉末冶金法将材料混合冷压后烧结形成复合材料，此方法的基体材料与增强相易于混合，致密效果好，增强相的分布可控性强，利于材料的各向同性。

颗粒增强金属基复合材料,传统材料,在航,汽车

车制动距离及增加载重能力都得到显著提升，此类材料还可用于制造汽车的刹车卡钳、发动机的活塞等对耐磨和耐热性能要求较高的部件。图1.3 颗粒增强金属基复合材料在航空和汽车领域得到应用，并取代传统材料1.3 金属基复合材料加工方法目前大部分常用的硬质合金刀具和高速钢刀具的硬度低于金属基复合材料中强化颗粒的硬度，利用传统的加工方式加工这种复合材料将面临较大的挑战。通常，若使用合适的刀具类型并匹配适当的加工参数，仍可以通过车削、钻削或铣削等工艺对这

【参考文献】