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。

纵扭超声辅助铣削SiCp/Al复合材料表面质量研究

高体积分数SiCp/Al复合材料具有高比强度、高比模数和良好的耐磨性等优异性能。然而,它们的高硬度和脆性会导致精密制造过程中应力分布更为复杂,这会使材料中产生过大的力和过多的热,从而影响加工精度和工件耐久极限寿命。目的通过分析切削过程中颗粒的去除机理和表面缺陷类型,利用纵扭超声辅助铣削(longitudinal-torsional ultrasonic assisted milling,LTUAM)技术,改善高体积分数SiCp/Al复合材料的加工表面质量。方法利用ABAQUS和PYTHON软件,建立考虑颗粒断裂过程的两相随机分布颗粒SiCp/Al复合材料模型,并采用Johnson-Cook模型和Brittle Cracking模型对SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削过程进行有限元模拟仿真。针对不同加工参数,进行SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削和常规铣削(conventional milling,CM)试验,评估有限元仿真模拟与试验结果的一致性。结果模拟结果表明,损伤和裂纹主要产生在SiC颗粒(SiCp)中上部的切削线上,凹坑缺陷主要产生在颗粒下部的切削线上。试验结果显示,表面缺陷的类型主要包括颗粒的损伤和拔出、颗粒的损伤和断裂形成凹坑、未损伤的颗粒形成凸起、破损颗粒与刀具在已加工表面上挤压摩擦形成犁沟、铝基体涂覆、表面微裂纹和表面空穴等,并且当加工速度120 m/min,超声振幅3μm时,最大裂纹深度最小,表面缺陷最小,表面质量最好。结论对比有限元仿真结果与试验结果发现,二者的表面质量变化趋势基本具有一致性。纵扭超声辅助铣削技术的应用对提高SiCp/Al复合材料的表面质量有较好效果。

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。

增强颗粒团聚分布SiCp/Al复合材料切削模拟研究

为了研究增强颗粒团聚分布对SiCp/Al复合材料切削加工过程的影响,建立了三种不同SiC颗粒团聚尺寸比的正交切削有限元模型,并对模型进行了验证。结果表明:随着颗粒团聚尺寸比的增大,锯齿状切屑连续性降低且形状更加不规则,相应地切削力的波动程度、平均值和峰值均增大。颗粒聚集区域的切削应力随着团聚尺寸比的增大而加剧。较大的颗粒团聚尺寸比会导致亚表面损伤深度和最大轮廓峰谷高度增加。

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。

超声椭圆振动切削SiCp/Al复合材料仿真研究

SiCp/Al复合材料具有优异的物理性能,但颗粒的存在导致其加工困难。颗粒材料的超硬性和耐磨性、加工表面的损伤以及刀具的磨损被认为是该类颗粒复合材料加工的主要障碍。目的 针对SiCp/AI复合材料难加工特性,通过对比常规切削(CC)与超声椭圆振动切削(UEVC)来研究其加工机理,分析两种加工方式下颗粒的损伤对切屑形成以及表面质量的影响。方法 基于Si Cp/Al复合材料的实际微观结构建立切削模型,采用有限元仿真的方法从微观层面展现其切削过程,能够直观呈现两种加工方式下颗粒损伤对切屑形成、刀具磨损以及表面质量的影响,进而预测复合材料在实际加工过程中可能遇到的问题,提出相应的解决方案。结果CC加工为锯齿状切屑,切削过程中主要为颗粒对刀具的两体滑动摩擦以及铝基体粘着摩擦,加工中导致的地下损伤严重。而UEVC加工时切屑易成段分离,切削过程中主要为颗粒对刀具的三体滚动摩擦,切屑根部聚集的颗粒相较CC加工过程较少,弱化了对加工表面的损伤。在两种加工方式下,加工表面存在以下缺陷:颗粒破碎、颗粒凸起、大空腔、凹坑以及沟槽等。结论 总体来说,UEVC加工有利于断屑,导致的损伤缺陷更少,颗粒破损程度更小,能大幅降低切削力,对改善SiCp/Al复合材料加工表面质量有一定效果。

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。

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。

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。

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)。

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。

研磨SiCp/Al复合材料微弧氧化膜的有限元仿真研究

SiCp/al复合材料两相性能差异大,研磨缺陷多,通过表面微弧氧化,生成硬脆的陶瓷氧化膜,建立两相延性耦合去除的研磨条件,故基于ABAQUS有限元仿真软件,建立单磨粒研磨SiCp/Al复合材料微弧氧化膜的三维模型并进行仿真实验,得到了陶瓷膜在材料去除过程中的表面应力变化规律,通过改变研磨加工工艺参数,得到不同工艺参数与切削力的关系,仿真结果表明:当其他条件一定时,研磨速度越快,磨粒切削力越小;研磨压力越大,磨粒切削力越大;磨粒越大,磨粒切削力越大。

SiCp/Al复合材料钻孔出口崩边损伤影响因素的研究

为研究碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料钻孔出口处崩边损伤及其形成原因,建立了简化的二维钻孔出口有限元模型,选用Johnson-Cook本构模型、Brittle Cracking本构模型和零厚度内聚力单元分别作为铝基体、碳化硅颗粒和Al-SiC界面的本构。根据仿真结果分析了钻孔出口处崩边损伤的形成过程以及钻削过程中进给量对崩边损伤尺寸和轴向钻削力的影响。结果表明:SiCp/Al复合材料崩边损伤尺寸和轴向钻削力会随着钻头进给量的增加而增加;崩边损伤形成的关键在于是否有合适的铝基体塑性变形将萌生的微裂纹进行桥接,且崩边损伤尺寸大小与颗粒分布方式有关。

40%SiCp/Al复合材料热变形行为及热加工图

采用Glebble-1500D热模拟试验机,在350~500℃变形温度、0.01~10.00 s^(-1)应变速率条件下进行等温压缩变形,研究40%SiCp/Al复合材料(体积分数)的热加工性能。通过热变形真应力-真应变曲线分析复合材料的热变形规律,建立材料本构方程,利用动态材料模型计算出应变速率敏感指数和功率耗散效率系数,绘制出功率耗散图、失稳图及二维加工图。结果表明,应变速率和变形温度显著影响流变应力,应变速率一定时,变形温度升高,流变应力减小;在相同的变形温度下,随应变速率的增加,流变应力也随之升高。根据加工图可知,在高温高应变速率条件下,材料的功率耗散效率系数大,说明该变形区域发生了组织转变;应变对失稳区域和加工区域影响不大,功率耗散效率系数随应变的增加而增大。40%SiCp/Al复合材料建议热加工条件为变形温度436~491℃,应变速率0.04~9.97 s^(-1)。

SiCp/Al复合材料磨削去除形式及表面损伤研究

目的:展开SiCp/Al复合材料磨削加工中SiC颗粒去除机理以及磨削加工表面完整性的分析。方法:设计了材料数值模型与单因素磨削实验,以J-C本构模型和颗粒断裂准则作为材料损伤依据,对20%vol SiCp/Al进行切削仿真数值模拟,从磨削力、材料内部应力变化及分布等研究SiC颗粒与磨粒相对位置对其去除机理的影响,采用干式逆磨在CarverS600A机床上展开磨削试验,分析不同工艺参数对表面粗糙度的影响,分析典型表面缺陷及成因。结果:磨粒切削SiC颗粒时的磨削力是磨削Al基体的5~7倍,材料内部应力集中现象多发生于SiC颗粒与Al基体界面,SiC颗粒被切削深度增大,小尺寸颗粒易发生脱粘去除,大尺寸颗粒易发生断裂破碎,当砂轮线速度由4.7 m/s增大到9.4 m/s时,沿磨削方向表和垂直磨削方向的粗糙度均呈现下降趋势,当磨削深度由3 μm增大到12 μm或工件速度由50 mm/min增大到200 mm/min,沿磨削方向表和垂直磨削方向的粗糙度均呈现增大趋势。结论:SiC颗粒的去除方式为断裂破碎、脱粘拔出、解离破碎为主,这是造成表面完整性差的主要原因,减小磨削深度增大砂轮线速度可显著减少表面缺陷。

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。

SiCp/Al复合材料界面反应研究现状

界面反应研究是碳化硅颗粒增强的铝基复合材料研发中的重要研究方向。各国研究者分别从界面反应规律、影响因素、控制途径等方面展开研究。界面反应规律方面研究了Al合金液与SiC颗粒可能存在的界面化学反应、界面反应过程和界面反应模型、界面上的相等;界面反应影响因素方面研究了界面反应与制备工艺过程、参数的关系;界面反应有效控制途径方面研究了、基体合金化、SiC颗粒表面处理、工艺选择与工艺参数控制等。今后的界面反应研究方向为:界面精细结构的研究;界面反应的化学热力学及动力学研究等。

高速铣削高体积分数SiCp/Al复合材料表面形貌及切屑机制的研究

为了研究高体积分数SiCp/Al复合材料的切削机理及工件表面形貌,采用PCD刀具对干式切削和水溶性冷却液浇注冷却的湿式切削两种切削条件下的高速铣削进行了研究。结果表明,在对颗粒尺寸大、体积分数高的SiCp/Al复合材料进行高速铣削时,干式切削无论是在工件已加工表面形貌和微观结构,还是在切屑形成及形貌上,都好于湿式切削。两种切削条件下均可获得较理想的表面粗糙度。

SiCp/Al复合材料的离心熔渗法制备及其性能

研究了反应离心熔渗法制备高体积比SiCp/Al复合材料的工艺过程及其抗弯强度。结果表明 :通过适当的粒度配比 ,可在低温、低离心力下熔渗制备组织均匀的高体积比SiCp/Al复合材料 ,SiC颗粒体积分数可达到 63 % ;复合材料的强度在很大程度上依赖于SiC颗粒尺寸及界面反应程度 ,合适的界面结合及细SiC颗粒的掺入有利于复合材料强度的提高 ;基体热处理改变了SiC颗粒所受应力状态 ,提高了复合材料的强度 ,其最高值可达 5 19MPa。