超声振动辅助车削SiCp/Al切屑形成机理及表面粗糙度研究

目的研究切屑形成机理对加工过程的影响。方法超声振动辅助车削技术通过刀具振动的拟间歇切削特征控制切屑尺寸和切屑形态,从而提高了加工表面质量。针对SiCp/Al复合材料的切屑形成机理,探究常规车削和超声振动辅助车削的切屑形成过程。研究了颗粒分布对第一变形区变形阶段的影响,以及不同加工方式下切削参数对切屑形态的影响。最后,描述了切屑自由表面和刀-屑接触界面的颗粒损伤形式,以直观地描述常规车削与超声振动辅助车削SiCp/Al复合材料加工中切屑的形成过程。结果通过测试加工后工件表面形貌发现超声振动辅助车削的切屑更加连续、切屑尺寸较小的加工表面粗糙度更小,常规车削的表面粗糙度为0.805μm,超声振动辅助车削的表面粗糙度为0.404μm,超声振动辅助车削比常规车削的表面粗糙度降低了49.8%。结论与常规车削相比,超声振动辅助车削有利于减小切屑厚度。超声振动辅助车削得到的切屑更加连续,避免了切屑碎裂,促进了切屑的顺利排出。通过对切屑形态进行研究,选择最优切削参数可以有效提高工件表面质量。

超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削(Conventional cutting,CC)与超声振动辅助切削(Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC)两种加工方式,通过有限元仿真软件Abaqus对20%SiCp/Al复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及Al基体撕裂是影响SiCp/Al复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力(主切削力)降低33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题,对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。

SiCp/Al-Si基复合材料界面结构调控及强化机制的研究进展

SiCp/Al-Si基复合材料具有高的比强度、比刚度、比模量,良好的导热、导电、耐磨性及尺寸稳定性等优点,作为结构功能性材料应用于空间工程、电子封装、交通运输和精密仪器等领域。其研究热点主要集中在界面结构调控、强化机制及性能调控等方面。在SiCp/Al-Si复合材料中存在着增强体与基体界面、析出相与基体界面、析出相与增强体界面,这些界面受各种因素影响,会出现多种界面反应和界面产物,界面结构和结合状态复杂而多样。基于此,本文综述了制备工艺、基体合金成分和SiCp表面改性等方面对SiCp/Al-Si基复合材料界面结构的影响及调控,并总结了影响其力学性能的因素及强化机制的研究现状,最后对复合材料未来的发展及研究方向进行了展望。

高压渗流法制备中高体积分数SiCp/Al复合材料的研究现状

高压渗流法制备SiCp/Al复合材料因其适应性广、操作简单、易于实现中高体积分数SiCp/Al复合材料的生产等特点而受到广大科研工作者的关注与广泛应用。本文详细阐述了中高体积分数SiCp/Al复合材料的高压渗流工艺,包括预制体的制备和高压渗流过程两方面,并对预制体制备过程中颗粒粒径、添加剂等因素以及高压渗流过程中压力、温度等工艺参数对复合材料性能的影响进行了分析;简述了SiCp/Al界面润湿性的改善策略及其对复合材料性能的影响,以及热处理对复合材料组织与性能的影响;最后介绍了中高体积分数SiCp/Al复合材料的应用,并展望了高压渗流法制备中高体积分数SiCp/Al复合材料的发展前景。

SiCp/Al复合材料焊接综述

为实现SiCp/Al复合材料的高质量可靠焊接,推广SiCp/Al复合材料在各领域的应用,调研了国内外SiCp/Al复合材料不同焊接方法的研究现状。在熔化焊方面,国内外学者通过调整工艺参数、在焊缝中加入Ti元素发生诱发反应等方法,抑制了焊缝中Al4C3针状脆性相的形成,从而提高了焊接接头的力学性能。在搅拌摩擦焊方面,国内外学者针对不同材料设计了专用的焊接搅拌头,以保证它们具备高耐磨性与足够的冲击韧性,在焊接过程中不出现破损情况;关注了焊接过程中焊接头转速、焊接速度、轴向力与热输入等因素,以获得力学性能优秀、晶粒细小均匀的焊接接头。在扩散焊方面,国内外学者探究了中间夹层对焊缝界面间原子相互扩散的促进作用;采取不同工艺参数,以外加超声或电子束表面加热等方式促进了原子间的相互扩散,以获得力学性能优异的焊接接头,提高焊接效率。在钎焊方面,国内外学者通过探究钎料与SiCp/Al复合材料之间的润湿性来组合钎料与钎剂,通过化学腐蚀处理表面暴露颗粒增强相、在复合材料表面电镀金属等方法来增大钎料与增强相的润湿性、解决钎料铺展受阻的问题,以进一步提高钎焊焊接接头质量。

基于二维切削的SiCp/Al复合材料表面损伤形成机制研究

目的研究SiCp/Al复合材料切削过程中的表面损伤形成机制。方法以SiCp/Al复合材料为研究对象,展开基于二维切削的仿真和实验研究,建立了包含铝合金2A14、SiC增强颗粒以及界面特性的SiCp/Al切削仿真模型,对作用于不同SiC颗粒部位的材料表面缺陷进行分析;接着利用高速直线电机搭建能映射二维切削条件的实验平台,在不同材料去除条件下,利用扫描电子显微镜和白光干涉仪对切削表面形貌进行测试,分析和验证切削表面损伤形成条件。结果SiCp/Al复合材料切削表面损伤机理取决于SiC颗粒相对刀具切削路径的位置:当刀尖作用在SiC颗粒的顶部时,表面损伤主要为基体撕裂、颗粒破碎;当刀尖作用在SiC颗粒的中部时,表面损伤为颗粒破碎导致的裂纹和凹坑;当刀尖作用在SiC颗粒的底部时,表面损伤为颗粒拔出导致的凹坑。随着切削深度的增大,凹坑逐渐增多,表面粗糙度随之增大。结论利用二维切削模型仿真方法和高速直线电机实验,可以有效研究复合材料切削损伤形成机制。SiC颗粒相对刀具切削路径的位置不同会导致切削损伤不同;SiCp/Al复合材料表面质量会随着切削速度的提升而有所提高。

基于材料静动态力学性能分析的SiCp/Al本构模型构建

基于SiCp/Al复合材料的静态和动态力学性能分析,构建SiCp/Al复合材料的本构模型。针对体积分数为20%的SiCp/2a14Al复合材料采用电子万能试验机进行准静态拉伸试验,研究材料的静态力学性能;采用霍普金森压杆试验进行不同温度(20~400℃)、不同应变率(500~3000 s^(-1))动态压缩试验,分析材料的动态力学性能。基于材料静态及动态下应力-应变试验数据构建SiCp/Al复合材料的Johnson-Cook(JC)本构模型,并通过遗传算法对模型进行优化。结果表明,SiCp/Al复合材料在准静态条件下表现出应变强化效应;在动态载荷条件下,材料流动应力随着应变速率的增加而增加,表现出应变率强化效应,这与碳化硅颗粒的体积分数有关;随着温度的增加,流动应力减小,表现为温度软化效应。最小二乘法拟合的JC模型与试验值的平均误差较大,经过遗传算法优化后模型误差减小,能够准确预测SiCp/2a14Al复合材料的流变行为。

SiCp/Al复合材料在常规与超声振动辅助条件的切削过程和表面形成的有限元分析

SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料,由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高,机械加工性差,常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真,对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明,相比于常规切削,超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性,减少复合材料的亚表面损伤,并且能够提高工件的表面质量。

基于声发射和GA-BP神经网络的铣削SiCp/Al表面粗糙度预测

为满足航天航空、电子封装、光学精密仪器等领域对工件加工质量的高要求,针对提高中高体积分数铝基碳化硅复合材料(SiCp/Al)铣削表面粗糙度的声发射智能在线监测精度的问题,通过小波包技术对铣削声发射信号进行分解,对分解后的特征值与表面粗糙度进行相关性分析,确定了最相关频段为375~406.25 kHz,筛选出相关特征矩阵,并利用GA-BP(Genetic Algorithm-Back Propagation)神经网络进行训练。研究结果表明,该方法能够实现对45%SiCp/Al铣削表面粗糙度的较小预测误差,通过成功构建的声发射预测模型,将平均预测误差控制在0.050 4左右,相比未经特征提取的BP神经网络模型,该方法的平均预测误差减小了0.072 8,为工程实践提供了可行且有效的方法。

切削SiCp/6005Al复合材料的PCD刀具磨损

为研究SiCp/6005Al切削时的刀具磨损机制及刀具磨损对切削力、切削温度、工件表面质量的影响,进行不同转速V和不同进给速度f下的切削试验,观察每组试验刀具切削后的磨损形貌,并通过监测动态切削力和切削温度来探究刀具的磨损机制。结果表明:工件转速提高使切削温度明显升高,但对切削力的影响很小;进给速度提高使切削力明显升高,而切削温度的变化范围较小。改变进给速度带来的力载荷变化是影响前刀面磨损的主要因素,改变工件转速带来的切削温度变化是影响后刀面磨损的主要因素。此外,刀具磨损是磨粒磨损、黏结磨损的综合作用结果,且刀具磨损会对切削力、切削温度和加工表面质量产生不利影响。

椭圆振动辅助切削振动参数对加工SiCp/Al切削力的影响研究

为了研究椭圆振动辅助切削SiCp/Al复合材料的材料去除机理以及不同振动参数对切削力产生的影响,运用有限元分析软件ABAQUS建立二维平面的SiCp/Al复合材料切削模型,对比前人不同切削深度下测得切削力的实验数据验证模型正确性,进行椭圆振动辅助切削仿真研究。仿真结果表明,相位差为π/2时平均主切削力和吃刀抗力最小;随着振动频率的增大,平均主切削力和吃刀抗力都有着减小的趋势;X方向振幅对主切削力和吃刀抗力有着显著影响,X方向振幅增大,切削力减小;Y方向振幅增大,主切削力减小但吃刀抗力略有增大。

施镀时间对SiCp/Al复合材料化学镀Ni-P镀层的影响

采用化学镀的方法在激光选区熔化(SLM)技术成型的SiCp/Al复合材料表面制备了Ni-P镀层,研究了施镀时间对镀层的表面形貌、截面厚度、沉积速率、相结构和显微硬度的影响。结果表明:化学镀0.5~12 h时,镀层都呈胞状形貌,且呈非晶态结构,为高磷镀层;随着施镀时间的延长,胞状组织逐渐变大,表面逐渐致密,镀层厚度逐渐增大,但增长速率越来越小,显微硬度先增大后趋于稳定。施镀时间为8 h时的镀层表面平整、致密、连续,厚度可达100μm,显微硬度为653.4 HV,镀层与基体结合强度为77.2 N。

占空比对SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层组织及性能的影响

以NaAlO2+NaOH为电解液体系,在恒压模式下对SiC体积分数为45%,粒径为5μm的SiCp/Al基复合材料表面进行微弧氧化处理,研究了占空比对SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层组织及性能的影响。用SEM分析微弧氧化膜层的形貌;用X射线衍射仪分析膜层的相组成;采用粗糙度仪、维氏硬度仪、划痕仪对膜层粗糙度、显微硬度及结合力进行了分析;用电化学工作站分析膜层的耐蚀性。结果表明:随着占空比的增大,微弧氧化膜层变得连续,厚度呈现增加趋势,粗糙度逐渐增加,孔隙率逐渐降低。占空比对微弧氧化膜层的物相有一定影响。SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层与基体的结合力随占空比的增加先增大后减小。不同占空比下制备的微弧氧化膜层均能提高SiCp/Al基复合材料的耐蚀性,占空比为70%时制备的微弧氧化膜层耐蚀性最好。

挤压铸造压力对超声辅助成形纳米SiCp/Al-Cu复合材料颗粒分布与力学性能的影响

采用超声振动技术制备2%(质量分数)纳米SiCp/Al-Cu复合材料浆料,并研究挤压铸造压力对纳米SiCp/Al-Cu复合材料颗粒分布和力学性能的影响。研究发现,随着挤压压力从0增至400 MPa,合金α(Al)晶粒尺寸先大幅降低而后下降趋势变缓,并且铸件中孔隙率明显降低。当挤压压力为400 MPa时,α(Al)晶粒尺寸从105μm减小到25μm,纳米SiCp分布得到明显改善,以致其力学性能最佳。复合材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为290 MPa、182 MPa和10%,相比于重力铸造(0 MPa)分别提高52.6%、25.5%和400%。在高压作用下,纳米SiCp/Al-Cu复合材料强度和伸长率的提高归因于晶粒细化、孔隙率降低和纳米颗粒均匀分布。

切削SiCp/Al复合材料的切屑形成及颗粒损伤仿真分析

为探究SiCp/Al复合材料在切削过程中的切屑形成及颗粒损伤过程,运用ABAQUS有限元分析软件建立了考虑颗粒随机分布的SiCp/Al复合材料切削仿真模型,并在模型中分别定义了Al基体、Al基体-SiC颗粒结合界面以及SiC颗粒的损伤失效行为。结果表明,裂纹在Al基体-SiC颗粒结合界面或Al基体中的形成与扩展是导致切屑断裂的主要原因,也是影响切屑形态的主要因素;SiC颗粒存在完全断裂、局部破碎、整体拔出以及局部脱黏等损伤形式,并相应在切削加工表面或亚表面留下划痕、凹坑、孔洞和凸起等缺陷;椭圆形SiC颗粒的中心位置相对于切削路径的位置越高,SiC颗粒越容易脱黏,切削加工表面缺陷也越小;椭圆形SiC颗粒倾斜夹角(椭圆形长轴与切削方向之间的夹角)为135°时,颗粒损伤程度最高,切削加工表面缺陷最大。分析切屑形成和颗粒损伤过程是研究SiCp/Al复合材料切削加工特性的有效途径,对于优化SiCp/Al复合材料的制造工艺,改善SiCp/Al复合材料已加工表面质量具有重要意义。

光催化辅助射流电解加工SiCp/Al实验研究

采用紫外光照射电解液槽及工件表面的方式,进行了SiCp/Al的光催化辅助射流电解加工实验。光催化作用产生的羟基自由基·OH与SiC颗粒发生化学反应生成硬度较低且结合力较弱的SiO2层,SiO2层和金属铝基体分别被带有TiO2磨粒的射流冲刷去除与电化学阳极溶解去除,实现了金属铝基体和SiC颗粒的同步去除。首先通过测量氧化还原电位,优选出TiO2质量浓度4 g/L、H2O2体积分数3%的NaNO3电解液,然后进行了传统射流电解加工与光催化辅助射流电解加工的侧壁轮廓与表面质量对比。结果表明,光催化辅助射流电解加工能够明显抑制加工凹坑边缘表面的杂散腐蚀,对凹坑加工具有较好的定域性与表面质量。

SiCp/Al复合材料端磨磨削力模型构建与试验研究

针对SiCp/Al逐层磨削两相三维重构需要精密高效端磨的问题,基于单颗磨粒磨削SiCp/Al的磨削力,在考虑切屑变形力、摩擦力、SiC颗粒断裂破碎力的基础上,建立SiCp/Al的端磨磨削力解析模型,结合试验研究切削速度、工件进给速度和轴向磨削深度等参数对加工表面粗糙度的影响规律,并探讨SiCp/Al金相表面快速磨削的加工工艺。结果表明:构建的端磨磨削力解析模型与试验的法向磨削力Fn的总体平均误差为12.98%,切向磨削力Ft的总体平均误差为3.49%;表面粗糙度随切削速度增大而减小,随进给速度和轴向磨削深度的增大而增大;用磨料颗粒基本尺寸为13.0μm的磨具,经过6次磨抛获得良好金相表面,所需磨削加工时间为600 s,可实现SiCp/Al金相表面的快速磨削。

热压烧结温度对SiCp/Al复合材料性能的影响

采用热压烧结法制备SiCp/Al复合材料,研究烧结温度对复合材料性能的影响。用X射线衍射、阿基米德排水法、三点弯曲法和扫描电镜分析复合材料样品的物相组成、相对密度、力学性能及微观形貌,并测定其热导率和热膨胀系数。结果表明:SiCp/Al复合材料由SiC、Al和Mg2Si相组成,加入Mg提高了基体和SiC颗粒之间的浸润性。随着烧结温度升高,复合材料的硬度和抗弯强度先增加后下降,在700℃时达到最大值98 HRB和275 MPa;复合材料的热导率先增加后下降,热膨胀系数先下降后增加,在700℃时分别达到最大值218.187 W/(m·K)和最小值8.6×10^(−6)K^(−1)。

制动盘用SiCp/A357铝基复合材料摩擦磨损性能研究

采用搅拌铸造法制备SiCp含量分别为0 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt%、40 wt%的SiCp/A357铝基复合材料(SiCp/A357复合材料)。在MVF-1A摩擦磨损试验机上以45#钢为对磨材料,研究SiCp含量对SiCp/A357复合材料干滑动摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电镜(SEM)对SiCp/A357复合材料磨损表面观察分析。结果表明:加入SiCp可细化基体晶粒,降低SiCp/A357复合材料孔隙率,相比于A357基体铝合金材料,40 wt%SiCp/A357复合材料的硬度提高了70.3%,可达155HBW。SiCp/A357复合材料的平均摩擦系数和磨损率均随SiCp含量的增加呈现先下降后上升的趋势,当SiCp含量为20 wt%时,达到最低的平均摩擦系数0.420和最低的磨损率4.15×10^(-3)g·m^(-3)。在60 N负载下,A357基体铝合金材料的磨损机制以粘着磨损为主,随着SiCp含量增加,SiCp/A357复合材料的磨损机制转变为以磨粒磨损(20 wt%SiCp/A357)与剥层磨损(40 wt%SiCp/A357)为主。

SiCp/Al复合材料微孔钻削的仿真分析和试验研究

运用ABAQUS/Explicit对颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)进行0.5mm微孔钻削有限元仿真,通过研究网格尺寸和质量放大系数对钻削力结果的影响,优化微孔钻削仿真的参数,模拟主轴转速和进给速度对钻削力的变化规律、钻屑的形成及其形貌的作用规律。基于仿真结果设置主轴转速和进给速度,进行SiCp/Al复合材料微孔钻削试验。结果表明:选取合适的单元尺寸和质量放大系数可明显提高仿真精度;低主轴转速、大切削厚度会产生较大的碎片状钻屑,使排屑困难;仿真时采用材料均质化模型会带来一定的误差。