高体积分数SiCpAl复合材料高速铣削基础研究.pdf

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1、高体积分数SiCp/Al复合材料高速铣削基础研究王涛2015年6月中图分类号：TG506.7UDC分类号：621.7高体积分数SiCp/Al复合材料高速铣削基础研究作者姓名王涛学院名称机械与车辆学院指导教师王西彬教授答辩委员会主席仪垂杰教授申请学位级别工学博士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月FundamentalStudyonHighSpeedMillingofHighVolumeFractionSiCp/AlCompositeCandidateName:WangTaoSchoolorDepartment:SchoolofMechanic

2、alEngineeringFacultyMentor:Prof.WangXibinChair,ThesisCommittee:Prof.YiChuijieDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研

3、究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要高体积分数碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料具有比强度高、热膨胀系数低和热导性能好等优异的综合物理力学性能，是高功率密度电子封装壳体和热控元件的理想材料，在军用通讯卫星、火控雷达和机载电子设备等先进武器系统和精密仪器领域具有广阔的应用前景。但因高硬度和高耐磨性SiC颗粒增强相的加入，该材料在切削加工中存在刀具磨损严重和表面质量差两个主要问题，极大限制

4、了该材料的实际应用。由于涉及到高尖技术等敏感领域，国外极少有文献涉及到高体积分数SiCp/Al复合材料切削加工的报道。因此，探索如何解决高体积分数SiCp/Al复合材料的切削加工问题显得十分必要和紧迫，对推动SiCp/Al复合材料在我国高尖端技术领域的应用具有重要意义。本文开展了高体积分数（65%）、小尺寸（平均尺寸10μm）SiCp/Al复合材料高速铣削基础研究，主要的研究内容如下：（1）SiCp/Al复合材料微观结构和力学性能研究通过Matlab软件编程，实现了对SiCp/Al复合材料微观结构中颗粒平均尺寸、形状因子和分形维数的统计学分析；结合基体材料的试验结果（正交

5、切削试验和准静态压缩试验）和切削仿真结果（切削力和切屑厚度），通过反向求解法建立基体材料本构模型；通过准静态和动态压缩试验，分析应变率对复合材料应力-应变关系的影响以及材料的失效机制；通过包含粘性域界面层的轴对称单胞模型，研究界面断裂能、界面强度和增强相体积分数对SiCp/Al复合材料流动应力-应变曲线的影响规律。（2）SiCp/Al复合材料铣削过程仿真研究以Abaqus/Explicit大型有限元分析软件为仿真平台，在铣削过程几何分析的基础上，建立了包含颗粒脆性断裂准则的圆形和多边形颗粒的简化微观形貌模型，研究SiCp/Al复合材料切削过程中的颗粒断裂现象；采用Matl

6、ab软件提取SiCp/Al复合材料金相照片中颗粒坐标信息，并结合脚本语言Python编程，实现真实的微观形貌模型自动化建模；通过该模型研究颗粒的断裂、表面浅凹坑、深凹坑和凸起的形成过程，并通过与试验中已加工表面沿切削速度方向提取的二维形貌对比，验证该真实微观形貌模型的有效性。（3）SiCp/Al复合材料铣削表面完整性研究通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜，观察工件切屑微观和已加工表面形I北京理工大学博士学位论文貌，并结合位错理论，分析其切削机理；设计可旋转的中心复合试验方案，并结合响应曲面法和方差分析法，研究主因素和交互作用对表面粗糙度的影响，并通过遗传算法优化铣削参数

7、；设计速度和每齿进给量单因素试验，并通过白光干涉仪对比研究二维和三维表面粗糙度表征方法的适用性；通过X射线残余应力测量仪，对比研究铣削参数对工件基体材料和SiCp/Al复合材料残余应力的影响规律。（4）SiCp/Al复合材料铣削刀具磨损研究采用不同的PCD粒度刀具进行该种材料的高速铣削刀具磨损试验。结合光学显微镜、激光共聚焦显微镜、扫面电子显微镜、能量色散X射线光谱仪和拉曼光谱仪等设备，研究PCD刀具主要的磨损形式及机理、刀具的磨钝标准和磨损模型、刀具切削性能的主要影响因素和刀具磨损对表面质量的影响。关键词：铣削；SiCp/A