高体积分数SiCp/Al复合材料精密磨削机理及表面评价研究

【摘要】：SiC颗粒体积含量50%以上的高体积分数碳化硅铝基复合材料(SiCp/Al)不仅具有高比模量、低膨胀等优异性能,而且在密度、热导率、热变形系数等关键指标上优于SiC,已成为替代微晶玻璃、石英玻璃、SiC材料等的重要反射镜材料。由于SiCp/Al复合材料中SiC颗粒增强相与Al合金基体相截然不同的特性,其加工比单纯的金属和脆性材料更为困难,加工机理也更为复杂,已加工表面缺陷严重,常规的表面粗糙度也难以对其加工表面给予合理的评价。对其精密、超精密加工技术,加工机理及表面完整性进行研究具有重要的理论和实际意义。本文针对高体积分数SiCp/Al复合材料精密磨削加工难题,对其精密磨削机理、已加工表面缺陷特征、已加工表面的评价表征方法及高完整性表面形成机理和条件进行了深入系统的研究,主要研究内容如下： (1)研究了高体积分数SiCp/Al复合材料的磨削去除形式,应用SEM观察分析了SiCp/Al复合材料磨削表面缺陷及磨屑的形貌特征和类型,提出了其形成机理。应用压痕实验和压痕断裂力学理论研究了压痕深度、压痕作用位置及SiC颗粒形状对SiC颗粒裂纹产生的影响,进而提出了实现硬质SiC颗粒增强相塑性域去除的机理和条件。建立SiCp/Al复合材料塑性域磨削条件的三维非线性有限元模型,研究了磨粒钝球半径和压入深度对复合材料硬质增强相SiC颗粒脆-塑性转变的影响。 (2)对高体积分数SiCp/Al复合材料进行了精密磨削实验。对湿式磨削、干式磨削、低温冷冻磨削和ELID磨削工艺条件下的磨削力作了对比研究,分析磨削深度、工件进给速度和磨削工艺条件对磨削力的影响规律,并研究磨削SiCp/Al复合材料时的磨削力分力比的变化规律,从而进一步的揭示SiCp/Al复合材料的去除机理。 (3)研究了高体积分数SiCp/Al复合材料磨削表面的形成机理。研究了低温冷冻处理对SiCp/Al复合材料硬度、残余应力及界面结合情况的影响,在此基础上研究低温冷冻条件下高完整性表面的形成机理。在ELID精密磨削条件下,从磨粒的微刃性、等高性,钝化膜的作用及磨粒的微切削作用几方面,揭示ELID精密磨削条件下SiCp/Al复合材料的高完整性表面的形成机理。在低温冷冻磨削条件下的高完整性表面磨削加工机理及理论研究是一个新的探索。 (4)针对SiCp/Al复合材料磨削加工表面形貌的特点及主要的缺陷形式,在对二维粗糙度评定参数与三维粗糙度评定参数表征方法,功率谱密度和表面分形维数表征方法的适用性进行比较后,建立能够真实反映SiCp/Al复合材料磨削加工表面微观形貌的表征参数体系,利用表面粗糙度三维评定参数和表面功率谱密度对SiCp/Al复合材料磨削加工表面的幅度特征和空间波长分布特征进行表征。在此基础上,对磨削加工SiCp/Al复合材料表面质量进行评价,分析磨削参数和磨削工艺条件对加工表面质量的影响,为工程生产实际提供参考依据和理论指导。