金属基复合材料激光辅助微切削技术研究

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1、分类号：TG669密级：可公开UDC：621编号：金属基复合材料激光辅助微切削技术研究Studyonthelaser-assistedmicromachiningofmetalmatrixcomposites学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：机械制造及其自动化（080201）研究方向：微细切削与微机械制造技术申请学位级别：博士指导教师：于化东教授研究生：王志超论文起止时间：2013.7—2018.4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

2、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

3、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

4、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

5、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I针对SiCp/2024

6、Al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

7、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

8、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