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SiC颗粒增强铝基复合材料超精密车削的基础研究

葛英飞  
【摘要】: 碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiC_p/Al复合材料)具有比强度和比模量高、耐高温、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的综合性能,已在航空航天、汽车、光学精密仪器等领域获得日益广泛的应用,其中通过精密、超精密加工获得的SiC_p/Al零部件主要应用于卫星轴承/天线、激光反射镜、惯性导航系统等。近年来,有关SiC_p/Al复合材料的超精密切削技术受到人们的极大关注,但关于该类材料的超精密切削机理及表面形成机制研究尚处于起步阶段。本文开展了SiC_p/Al复合材料超精密车削机理及工艺的研究,完成了以下颇具创新性的研究工作: 1. SiC_p/Al复合材料超精密车削切屑形成机制 对锯齿型切屑变形时的应力、应变进行了计算,并结合切屑内部不同位置的显微硬度测试分析,探明了该材料超精密车削时第一、第二变形区材料的变形规律。通过切屑形态及切屑根部组织的观察,并结合SiC_p/Al复合材料的本身特性以及切削时剪切区的应力、应变和温度环境,研究了剪切区微裂纹的动态萌生和扩展机制,以及此种动态行为对切屑形态及切屑形成过程的影响。探讨了切屑厚度准周期变化的内在机制,将剪切角周期变化和微裂纹的动态影响相结合,建立了适应含不同颗粒体分比的该材料的切屑形成过程模型。 2. SiC_p/Al复合材料超精密车削表面形成及加工表面缺陷 从工件材料膨胀侧流、刀具-工件相对振动、进给量和刀具圆弧半径组成的进给波纹、增强颗粒含量及尺寸、增强颗粒的去除方式等角度探讨了SiC_p/Al复合材料超精密车削表面形成机制。研究了切削用量、冷却条件、刀具刃口半径、基体和界面两者强度关系、刀具磨损状况等对增强颗粒去除方式的影响。阐述了SiC_p/Al复合材料超精密车削表面形成过程与加工表面缺陷的关系,并对SiC_p/Al复合材料超精密车削表面缺陷进行了全面的评估。 3. SiC_p/Al复合材料超精密车削表面粗糙度研究 研究了增强颗粒含量、尺寸及分布,切削用量、冷却条件、刀具材料及其几何参数、刀具磨损状况等对SiC_p/Al复合材料超精密车削表面粗糙度Ra的影响,为超精密车削该材料时工艺参数的选择和制定提供了重要依据。 4. SiC_p/Al复合材料超精密车削金刚石刀具磨损研究 观察和分析了聚晶金刚石(PCD)、单晶金刚石(SCD)刀具超精密车削SiC_p/Al复合材料时的典型刀具磨损形态,并对刀具磨损机理进行了探讨,为SCD刀具车削不同种类SiC_p/Al复合材料时的前、后刀面合理定向提供了重要依据。


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