高体积分数SiCpAl复合材料钻削仿真与试验研究.pdf

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1、高体积分数SiCp/Al复合材料钻削仿真与试验研究南晓辉2015年12月中图分类号：TG506.7UDC分类号：621.7高体积分数SiCp/Al复合材料钻削仿真与试验研究作者姓名南晓辉学院名称机械与车辆学院指导教师赵文祥教授答辩委员会主席王西彬教授申请学位工学硕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12月SimulationandExperimentalStudyonDrillingHighVolumeFractionSiCp/AlCompositeCandidateName：NanX

2、iaohuiSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.ZhaoWenxiangChair,ThesisCommittee：Prof.WangXibinDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：December,2015北京理工大学硕士学位论

3、文摘要碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al复合材料）是金属基复合材料的一种，具有低密度、高比强度和比刚度、低热膨胀系数、等优异的物理和热学性能，在通讯卫星、机载电子设备和军用雷达等领域被广泛应用。但这种复合材料的高硬度和高耐磨性使得其加工过程存在刀具磨损严重和表面质量缺陷多的状况，极大地限制了该种材料的应用。对于SiCp/Al复合材料的切削加工研究目前的文献呈现的并不广泛，而对于该材料的钻削研究少之更少。基于以上研究现状，探索解决和深入研究SiCp/Al复合材料的切削加工过程机理显得十分必要，对推动SiCp

4、/Al复合材料在高端技术领域的应用具有重要意义。本文针对高体比分（65%）和平均颗粒度为10μm的SiCp/Al复合材料进行了小直径孔（3mm）的钻削仿真和试验研究，主要研究内容如下：（1）SiCp/Al6063/65p复合材料的钻削过程仿真模型的建立。利用材料参数完备的C45模拟了钻削过程。通过反复计算和优化模型，建立完成了一个计算效率和计算精度尚能接受，可用于任意材料的三维有限元钻削仿真模型，并通过相应的试验来验证该模型的可行性。基于这一研究进展，结合SHPB试验的结果，再利用SiCp/Al6063/65p

5、复合材料的宏观等效均质属性来模拟钻削过程，实现并完善了对于复合材料的有限元钻削仿真模型。对其进行相应的试验验证，试验结合后续章节的试验结果，从切屑的成形过程，形貌，切削力方面验证了该模型的可行性。（2）应用3mmPCD钻头对SiCp/Al6063/65p复合材料进行了钻削正交试验试验，从转速、进给速度和步深三方面试验研究各因素对钻削力的影响。对试验的轴向力和扭矩进行了方差分析，推算PCD钻头钻削SiCp/Al6063/65p复合材料的过程中，转速n，进给速度f，每步钻削深度d对试验结果轴向力F和扭矩M的影响显著

6、性。tzz并通过试验结果推导了3mmPCD钻头钻削SiCp/Al6063/65p复合材料的轴向力和扭矩经验公式。同时也比较了在同一参数下的硬质合金钻头和PCD钻头对钻削力的影响因素。（3）对SiCp/Al6063/65p复合材料进行了单因素试验，结合基恩士激光显微镜和扫描电子显微镜，观察加工过的孔内表面，直观分析其形成机理，比较研究了PCD钻头和硬质合金钻头加工的孔内表面形貌、表面粗糙度以及切屑形貌，分析转速和进I北京理工大学硕士学位论文给速度对孔内表面质量的影响。（4）结合单因素试验，分析了PCD钻头和硬质合

7、金钻头的加工磨损和破损。并建立了PCD刀具切削时的破损力学简化模型，分析了金刚石刀具的破损机理。分别为金刚石球体颗粒破损和正方形力学简化模型。同时研究了孔的入口和出口孔棱边缺陷的形貌特征及其形成机理。关键词：钻削；SiCp/Al复合材料；PCD刀具；切削仿真；表面质量II北京理工大学硕士学位论文AbstractSiCparticlereinforcedaluminummatrixcomposites(SiCp/Alcomposites)isametalmatrixcompositematerialhavinglo

8、wdensity,highspecificstrengthandspecificstiffness,lowthermalexpansioncoefficient,andotherexcellentphysicalandthermalproperties.Itiswidelyusedincommunicationsatellites,avionicsandmilitaryr