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SiCp/Al复合材料高速铣削表面质量及刀具磨损研究

王阳俊  
【摘要】:SiCp/Al复合材料由于具有高比刚度和高比强度的优点,在航空航天及汽车领域应用广泛。作为加工该类材料的主要手段--切削加工方法存在刀具磨损严重及加工表面质量差的问题,严重影响了该材料的实际应用。由于涉及到高新技术等敏感领域,国内外极少文献涉及中高体积含量的SiCp/Al复合材料切削加工技术的研究。因此针对SiCp/Al复合材料切削加工在中存在的问题,对该材料的高速铣削技术展开相应的研究,对推动SiCp/Al复合材料的进一步应用具有十分重要的意义。 刀具磨损是该类材料加工的瓶颈问题,也是实现该类材料高速铣削加工的基础。本文通过SiCp/Al复合材料高速铣削刀具磨损实验,研究了不同种类刀具的磨损形态及磨损机理,并以此为基础确定了刀具磨损的评价标准,进而依据切削参数对刀具磨损的影响规律,选择PCD刀具进行SiCp/Al复合材料高速铣削加工实验,最后通过建立SiCp/Al复合材料高速铣削过程中PCD刀具的破损机理模型,给出了临界破损切削速度的概念,为SiCp/Al复合材料高速铣削过程切削速度选择提供了依据。 加工表面缺陷严重影响加工表面质量,研究SiCp/Al复合材料高速切削加工表面缺陷类型及形成机理是提高加工表面质量的关键。本文通过建立SiCp/Al复合材料切削过程的两相混合模型,揭示了加工表面缺陷的形成机理,并指出界面破坏和颗粒的脱落、耕犁等行为是形成加工表面缺陷的原因,而后通过切削实验与检测确定了已加工表面存在小凹坑、大孔洞、犁沟及颗粒凸起等缺陷类型与几何特征。最后针对加工表面缺陷的几何特征,通过基于提升小波理论的缺陷识别算法对加工表面大孔洞缺陷进行了识别与重构,为进一步研究加工切削参数对加工表面缺陷的影响规律奠定了基础。 SiCp/Al复合材料高速铣削加工表面存在周期性的刀具进给痕迹与随机的加工表面缺陷,采用合理的表面形貌表征方法与表征参数才能客观地评价该加工表面质量。本文从二维粗糙度参数Ra数值不稳定的现象出发,通过分析二维粗糙度表征方法的适用性,指出在进给量较小情况下,加工表面缺陷是影响加工表面粗糙度的主要原因,而后通过角功率谱方法证实加工表面纹理趋于各向同性。在此基础上,对三维表面粗糙度的评定基准面及表征参数进行了研究,结果表明:采用最小二乘基准平面可以客观的获取该加工表面的三维粗糙度轮廓,同时表面轮廓幅值均方根偏差Sq具有数值稳定性。为了全面评价该种材料加工表面质量,选择Sq与大孔洞缺陷平均深度Hk建立了该种材料表面质量的表征参数体系。 SiCp/Al复合材料高速铣削加工表面质量与切削参数的选择密切相关。本文通过SiCp/Al复合材料高速铣削的正交试验,明确了各切削参数对加工表面表征参数的影响程度,在此基础上进行了单因素实验,研究了切削参数对加工表面表征参数Hk及Sq的影响机制,该机制合理地解释了切削参数对大孔洞缺陷平均深度Hk的影响规律,最后以刀具磨损和加工表面质量为目标,对切削参数进行了优选。


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