北京理工大学硕士学位论文 SiCpAl复合材料钻削加工的棱边缺陷研究.docx

1、北京理工大学硕士学位论文 SiCpAl复合材料钻削加工的棱边缺陷研究摘 要SiCp/Al复合材料具有良好的物理及力学性能，因此，受到科研界人士的高度重视。由于sic增强颗粒的加入使其给切削加工带来诸多不便，在加工结束后工件边缘位置经常会出现崩边、碎裂及剥落等棱边缺陷，这将使得其在实际应用中的使用价值降低。本文通过有限元与实验相结合的方法对SiCp/Al复合材料的钻削过程中棱边缺陷的形成机理及影响因素进行研究，并将结果与实验结果进行对比，阐述出有限元方法与实验方法存在差别的原因。具体研究工作如下：首先，通过有限元方法对钻削过程中棱边缺陷的形成机理进行具体叙述，假如复合材料为均匀的各向同性，其棱边

2、缺陷的形成过程简要分为四个过程：剪切变形阶段，应力传播阶段，扭曲变形阶段，棱边缺陷形成阶段；并将有限元仿真结果与实验结果相比较，阐述它们存在差别的原因；产生棱边缺陷离不开切削力的作用，通过分析拉应力和压应力的作用来进一步理解棱边缺陷形成机理。其次，通过有限元方法对建立了SiCp/Al复合材料的微观有限元模型，因为该模型更能贴近实际的材料结构，由此将钻削过程分为五个阶段：剪切变形阶段、微裂纹萌生阶段、明显应力传播阶段、断裂形成阶段、棱边缺陷形成阶段；同时，研究了切削参数对切削力及棱边缺陷的影响规律，结果表明随着进给速度的增加切削力及棱边缺陷值均呈增大趋势；将两种不同的仿真结果进行对比研究，得出结

3、论包括增强颗粒的微观模型的棱边缺陷值大于均匀模型的棱边缺陷值；最后研究增强颗粒的体积分数对棱边缺陷及切削力的影响，得出结论随着体积分数的增加棱边缺陷及切削力均呈增大的趋势。最后，通过实验的方法研究了切屑与棱边缺陷的关系、棱边缺陷形貌形成的原因；采用正交实验方法对棱边缺陷的影响因素进行研究，并通过回归分析的方法对其进行验证，两者结果均得出进给量对棱边缺陷的影响最大，其次为sic颗粒的体积分数，最后为切削速度的影响；将部件进行添加挡板处理，对其进行变应力的有限元仿真，结果表明棱边缺陷值有很大程度的减少。关键词：SiCp/Al复合材料；钻削；棱边缺陷；有限元分析；实验研究； AbstractBeca

4、use SiCp/Al composite materials had good physical and mechanical properties, so the people from scientific community have attached great importance to it. But its good performance also brought many difficulties to machining. For example on the edge of workpiece frequently appeared side damage, fract

5、ure and edge defects after the machining, these phenomena were edge defects which would reduced its use value in practical application.In this paper, through combining the finite element and experimental analyzed the formation mechanism and influencing factors of edge defects of SiCp/Al composite ma

6、terials during the process of drilling. Comparing the experimental results with the experimental results, he paper would expounded the reason why there were differences between the finite element method and experiment method. The specific research work as followed: First of all, using finite element

7、 method introduced the formation mechanism of edge defects during the process of drilling, the formation process which didnt add reinforcing particles was briefly divided into four processes: the phase of shear deformation, stress transmission, distortion and edge effect formation. The following com

8、pared finite element simulation results with experimental results, expounded the reason why there were a difference. Through the analysis of the role of tensile stress and compressive stress further understood the formation mechanism of edge defects.The second, using finite element method studied co

9、mposite materials which were added reinforcing particles in the simulation. The finite element simulation added reinforcing particles could be more close to actual, so drilling process could be divided into five stages: the stages of shear deformation, micro crack initiation, obvious stress transmis

10、sion, formation of fracture and formation of edge defect. Because in the researching process of edge defect the effect of cutting force couldnt be lacked, so the cutting parameters must be studied how did it influence on cutting force and the edge defect. Through the study concluded that with the in

11、crease of feed speed cutting force and the value of edge defect were both increased. At the same time due to the composite materials added or not added particle composites were studied by using finite element methods, so you need to contrast the difference between them. Comparing the simulation resu

12、lts of the two studies, it concluded that the value of edge defect of composite materials added particle composites was greater than that composite materials not added particle composites. Nest it was studying that how did the volume fraction of reinforcing particles affect the edge defects and the

13、cutting force, through the study concluded that with the increase of volume fraction edge defects and the cutting force both showed a trend of increase. Finally, the number of edge defects and the cutting force were obtained through the experiment. Through the analysis of formation mechanism of expo

14、rt edge defects in the process of cutting drill provided theoretical basis for the following experiment. After that analysising the relationship between the chip and edge defects, showed the similarities and differences between chip morphology and the size of edge defects. At last, through the ortho

15、gonal experiment found out the biggest factor that influence the edge defects, and using regression analysis further expounded the results of orthogonal experiment. Keywords: SiCp/Al composite materials；drill；edge defects；finite element analysis; experimental study；第4章 对碳化硅铝基复合材料钻削加工的棱边缺陷实验研究 425.4

16、运用有限元法对变应力钻削进行研究.60第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义复合材料在性能和功能上远远超出其单质组分的性能和功能，通过不同尺度、不同层次上结构设计、结构优化使其产生原单质材料根本不具备的全新的高性能与新功能。由于这个特点使其成为最富有研究潜力的战略性结构材料，因此受到足够多的重视。本论文所要研究的是由SiC颗粒作为材料的增强体，以铝作为基体一种材料，其属于颗粒增强型铝基复合材料；其所具有高比强度和比刚度、耐磨耐高温、较低热膨胀系数、良好的疲劳性能和断裂韧性等优良性能，使其在航空航天、先进武器、卫星等领域获得了广泛的关注。由于SiCp/Al复合材料具有较高的抗压能力，如此，将此

17、优点应用到飞机上。早在20世纪80年代，低体积分数的SiCp/Al复合材料便作为非主承载结构件而成功的应用到飞机上，随着科学技术的发展，对该种复合材料进行深入的研究探讨，现已将SiCp/Al复合材料作为主承载件应用到先进飞机上1；由于SiCp/Al复合材料具有较高的比刚度，如此，此优点也得到应用，如图1.1所示，DWA公司与洛克希德马丁公司及美国空军合作，应用刚度比较高的SiCp/Al复合材料代替原有的铝合金蒙皮，则使F-16战斗机的腹鳍寿命由原来的几百小时提高到6000h、刚度相应的提高50%左右，此举给美国空军的军费开销节省2100万美元，现美国空军正逐渐的更换SiCp/Al复合材料腹鳍2

18、-4；同树脂基复合材料相比，SiCp/Al复合材料具有更强的耐冲击能力和耐冲蚀能力，如图1.2所示，在20世纪90年代，普惠公司将DWA公司研制的挤压态SiCp/Al复合材料成功的被应用为波音777飞机发动机的风扇出口导流叶片；美国将高体积分数SiCp/Al复合材料作为三叉戟导弹的惯性导向球及其管型测量单元的检查口盖5；由于我国对SiCp/Al复合材料研究较晚，但是进步很快，由我国自主研发制备的SiCp/Al复合材料的卫星相机零件同以往用的钛合金相比，有两个显著的优点，一是质量降低了35%，但是传热性提高了10倍6。 图1.1 F-16战斗机的腹鳍 图1.2 PW4000涡轮风扇发动机出口导流

19、叶片Fig1.1 F - 16 fighter pelvic fins Fig1.2 PW4000 turbofan exit guide vane综上所述，因为SiCp/Al复合材料具有优异的物理及力学性能，使其在航空航天、先进武器、卫星等领域获得了非常成功的应用，主要体现在：一是应用SiCp/Al复合材料所研制出的新产品在性能方面得到了应有的提高，二是给公司或者国家避免不必要的损失。但是，随着制造业的不断进步，对SiCp/Al复合材料的表面质量及棱边质量要求越来越高，因为表面质量的不达标，将给该材料的使用带来诸多麻烦7。目前，对于SiCp/Al复合材料的表面质量的切削、磨削的研究较多，对钻

20、削加工的表面及棱边质量研究的相对较少；对于SiCp/Al复合材料的研究均停留在低体积分数上，对于高体积分数的SiCp/Al复合材料研究相对较少。本课题主要针对的为高体积分数SiCp/Al复合材料钻削加工的棱边缺陷研究，主要分析棱边缺陷的形成机理，通过对棱边缺陷形成的各个阶段进行分析得出应力对棱边缺陷的影响规律，由此还可得到工件在各个阶段细微的变化。这为今后进一步研究SiCp/Al复合材料的棱边缺陷奠定理论基础。1.2 金属基复合材料的研究现状1.2.1 金属基复合材料表面质量及棱边质量的研究现状华南理工大学的全燕鸣等对复合材料的切削加工表面结构与表面粗糙度进行研究，经研究表明，对于颗粒增强型复

21、合材料而言，由于增强颗粒与基体的结合强度不同及颗粒本身的粒度不同使得其加工表面的粗糙度不尽相同；对于短纤维或晶须增强型的复合材料而言，由于某些纤维或晶须被拔出，或是被压倒均可以导致表面粗糙度的不同，该材料的表面粗糙度还取决于其切削方向与短纤维或晶须间的夹角；影响复合材料已加工表面的粗糙度的因素有材料本身的性能、增强颗粒的尺寸、形状及分布状态、加工条件等8。来自沈阳工业大学的于晓琳等对高体积分数SiCp/Al 复合材料精密磨削机理及表面评价进行研究。经研究表明，湿式和干式磨削是通过SiC颗粒的脆性去除形成最终的表面，其难以形成高完整性的加工表面；冷冻磨削是通过SiC颗粒的脆性去除和塑性去除，两种

22、颗粒的去除方式形成最终的表面，加工表面质量优于湿式和干式磨削；ELID磨削时通过SiC颗粒的塑性去除方式形成最终的表面，其加工表面质量优于前两种磨削方式的加工表面质量；从不同的磨削工艺角度分析，影响SiCp/Al复合材料的表面质量由优到劣的顺序依次为ELID磨削、低温冷冻磨削、湿式磨削、干式磨削9。来自大连理工大学的周鹏等对碳纤维复合材料工件切削表面粗糙度测量与评价方法进行研究。经研究表明，在加工C/C时,为了获得较低的表面粗糙度应将铣削加工进给速度尽量减小，应提高转速和选择恰当的切削深度；而在进行车削加工时，应选择较小的进给速度、转速及切削深度，对于CPH材料来说，为了获得较低的表面粗糙度，

23、在铣削加工中应选择较小的进给速度，较高的主轴转速，而在车削加工中，应选择较小的进给量及切削深度，较高的主轴转速；铣削C/C材料时，应该选择AL2O3涂层刀具；车削C/C材料时，应选择硬质合金（TiN涂层)刀具；当车削C/C和C/Ph材料时，其表面质量随着刀尖圆弧半径的减小而变差，当刀尖圆弧半径为2mm时，其表面质量最好；使用三维幅度参数和空间参数对C/C、编织C/Ph、涂层C/Ph复合材料和硬铝表面进行评定之后发现，在这几种材料表面上并没有出现类似于金属切削过程中出现的进给波纹、明显及不平的加工波峰和波谷，其具有一种随机的特性，其归结为脆性材料的缘故10。来自法国INSA-Lyon大学的Yin

24、gying Wang等通过实验的方法对SiCp/Al 复合材料冷喷涂层的微观形貌及损伤行为进行研究。其所使用的复合材料所含的元素为C、O、Mg、Al、Si等。所用到辅助仪器包括：扫描电镜，其作用为观测涂层的微观形貌；三维光学显微镜，其作用为观察气孔的形态学。实验研究的大体思路为，首先观察纯铝与SiCp/Al 复合材料涂层的表面形貌的异同，之后对复合材料涂层进行重点分析，最后研究复合材料涂层在溶液中是否有腐蚀现象发生。经研究表明：SiC颗粒的加入使得涂层表面气孔的体积分数降低；SiC颗粒的尺寸增大，则产生的裂纹增多；原料中SiC体积分数为15%,在复合材料中SiC颗粒的体积分数为20.1%，其是

25、由于在喷射的过程中，SiC颗粒所获得的动量大于Al基体的动量；SiC颗粒体积分数的增加，可以促使复合材料的密度增加，但是也使复合材料气孔的体积分数增加；由于涂层中含有裂纹，则溶液渗入腐蚀材料表面，最终致使颗粒从表面脱落形成新表面11。来自南京航空航天大学贺虎等对碳纤维复合材料（CFRP）钻孔出入口缺陷进行研究，研究结果表明，已加工孔的出口与入口棱边缺陷主要包含撕裂、毛刺和啃边等，其中撕裂是出现次数最多，在研究该缺陷时，其应用撕裂因子Ld=L/D公式对其进行研究，并得出结论，若想控制出口与入口棱边缺陷必须控制进给速度12。来自北京航空航天大学的张厚江等对碳纤维复合材料钻孔出口缺陷进行了试验研究。

26、对缺陷典型形式应用有限元方法进行验证，得出孔的出口棱边缺陷主要由撕裂和毛边组成，其中撕裂尺寸相对大些，其形成过程大体包括两个阶段，即来自于横刃的作用阶段及主切削刃的作用阶段，其中横刃作用占主导地位。毛边缺陷多数会出现在表层纤维被“顺向”剪切孔的边缘部分。评价孔出口两侧撕裂时，应用长度平均值作为撕裂评价参数，得出结论为撕裂缺陷随着进给量、钻头直径和轴向力的增大而变得更加严重。转速的提高会使撕裂值减小13-16。来自江苏大学王贵成等通过实验的方法对切削加工产生的毛刺进行了系统研究，并且研制除了钻削毛刺控制专家系统。其将在切削过程中所产生的毛刺分为：切入与切出两种方向的毛刺，其又将切出方向的毛刺细划

27、分为另外三种形式。其认为影响毛刺的形貌的主要因素有工件材料性能、切削用量、刀具几何参数、刀具表面与切屑的接触形态等17-18。来自德国卡尔斯鲁厄大学制造技术研究所的V.Schulze等在对复合材料最小棱边缺陷制孔工艺研究时指出，切削力对孔的棱边缺陷有着至关重要的影响，然而在钻削参数中，进给量对孔的缺陷影响最大，如果进给量较大，其会导致较大的棱边缺陷19-21。1.2.2 金属基复合材料钻削加工的研究现状 沈阳理工大学的白大山等通过有限元及实验的方法对SiCp/Al 复合材料高效精密钻削机理进行研究。其通过DEFORM有限元软件对钻削过程进行细致分析得出结论：钻削轴向力和扭矩均随着进给量的增加而

28、呈增大的趋势，而当切削速度变化时，钻穴轴向力和扭矩没有明显的变化；经过实验验证得知，有限元结果与实验结果相似，并且在干湿两种钻削方式下均是如此；其还对SiCp/Al复合材料的表面质量及切屑的形貌进行研究，孔的轴向表面粗糙度随着切削速度的增大而呈增大的趋势，在干湿两种情况下，切屑主要呈现不连续锯齿形切屑和崩碎状切屑22。 东北大学的向志杨等对难加工材料的钻削过程中断屑技术进行研究，其通过实验的方法对其进行研究。经研究表明，钻头的几何参数对断屑有影响。其中影响较大的有钻头前角、主偏角等，钻头前角减小则可使切屑与前刀面的接触长度变短，即使切屑变形加大，促使其折断；切削的厚度随着主偏角的减小而变薄，则

29、使切屑很难折断。切削速度的增大会使切屑的容积系数增大，致使切屑不易折断；切削深度增加则会使切屑碎断性较差；通过上述研究，要得到断屑必须进行钻削槽的设置，其中断屑槽有利有弊，弊处为其使钻头的刚度降低，及不能保证得到稳定的断屑，为了得到更加稳定的钻屑其研究出振荡钻削断屑法，通过实验可知，该方法可以得到稳定的断屑23。 山东大学的李桂玉等对叠层复合材料钻削加工的缺陷产生机理进行研究，其研究思路为，通过正交实验的方法得出最优参数值，之后进行对其研究。经研究表明，孔壁处的表面粗糙度随着主轴转速的增加而呈增大的趋势；表面支撑性能随着主轴转速的提高而有所改善24-25。 大连交通大学的藤涛等通过实验与有限元

30、的方法对高锰钢（ZGMn13）钻削过程中的钻削力及温度进行研究。其研究思路为先通过准静态压缩试验和Hopkinson压杆实验测出相关数据最后求出所需要的本构关系，之后通过有限元进行研究，最后通过实验的方法得到验证。经研究表明，通过对钻削过程中切削力及温度进行仿真研究并与实验值进行对比，切削力的变化趋势与实验切削力的变化趋势大体相同，得知有限元方法的可行性；在对温度进行仿真时得出，钻削温度沿切削刃由内而外逐渐升高，最高温度出现在靠主切削刃的中间处，在切削刃靠近工件底部外缘处，温度的下降极快，但其横刃处的温度达到最高状态；钻削温度随着进给量的增加而呈现增大的趋势，切削速度对温度的影响要强于进给量对

31、其影响26-27。 沈阳理工的赵鹏等通过实验的方法对SiCp/Al复合材料的钻削过程所形成的棱边缺陷进行研究。经研究表明，入口棱边缺陷大体分为宏观断裂缺口、颗粒脱落、颗粒断裂及破碎、塑性凸起等，并分析了它们的形成机理；出口棱边缺陷大体分为大范围冲裂、基体韧性断裂、颗粒脱落等，也分析了它们的形成机理；又分析了切削参数对切削力的影响，表明切削力随着进给量的增加而变大，而切削速度对其影响不大；切削速度与进给量的比值越小，则棱边缺陷值越小；得知PCD钻头对高体积分数、大颗粒尺寸的复合材料进行钻削的理想参数为Vf=200300mm/min；利用spss软件对棱边缺陷值进行分类，将其分为三类，第一类属于端

32、面尺寸小，柱面尺寸大，在棱边缺陷中所占比例较少，第二类属于端面尺寸和柱面尺寸都较小，在棱边缺陷中所占比列较高，第三类属于尺寸大且占比例较大28。 来自丹麦的Luk Piln等通过实验的方法对铝基复合材料进行钻削加工所产生毛边的去除方法进行研究，其所使用的各种材料体积分数分为：Si（11.3%）、Fe（16%）、Cu（4.8%）、Mg(47.6%)、Zn（0.3%）等诸多元素，所用到的测量实验仪器包括：三维景象测试仪，其在实验中的作用为测量毛边的高度、宽度及底边宽度；真空夹紧装置，其作用为控制毛边形成的空间；测力仪，其作用为测量切削过程中切削力的大小。实验研究的思路主要通过改变钻削参数、刀具的几何特性及夹紧装置对毛边的形成进行研究，在研究一种情形时，其它情形不改变，也就是该实验研究采用单因素研究方法。经研究表明，出口毛边的高度和宽度均随着切削速度的增加而减少，随着进给速度的增加而增大；同最初没有采用真空夹紧装置进行对比得出，采用真空夹紧装置时，其出口毛边的尺寸值减小到原来的50%；具有三个螺旋槽的钻头，其切削之后所产生的切削力相对于含有两个螺旋槽钻头减小到50%，另外，含有两个螺旋槽的钻头，其所产生的毛边高度相对于含有三个螺旋槽的钻头增加2-3毫米29。来自台湾的C