陶瓷增强铝基复合材料加工性能研究

摘要

随着社会的发展和科技的进步，在航天航空、电子技术以及汽车等众多领域对材料的使用性能提出了愈来愈多的特殊要求，因而具有众多优良性能的陶瓷增强铝基复合材料应运而生。但由于陶瓷增强体―这种高硬度增强物质的复合加入，使得该类铝基复合材料的加工很困难，这已成为阻碍该类复合材料拓展应用范围的瓶颈问题。
　　 本文以陶瓷增强铝基复合材料为研究对象，以不同工况下的车削试验、电加工、摩擦磨损试验为基础，采用扫描电镜、原子力显微镜、能谱分析仪、表面轮廓检测仪等现代材料的检测和分析手段，对该类材料的部分机械加工性能和某些特种加工进行了试验研究，主要工作和创新点如下：
　　 (1)采用正交试验法，研究了几种陶瓷增强铝基复合材料的切削力特性。在影响切削力大小的切削用量三要素中，背吃刀量是最显著的因素，其次是进给量的影响，切削速度的影响最小；发现采用硬质合金刀具切削时，增强体体积分数存在着某一阈值(如17%-20%)，超过该阈值就会产生背吃刀抗力Fp、进给力Ff大于主切削力Fc的现象；从加工精度和刀具的耐用度考虑，聚晶金刚石PCD刀具是一种最好的切削加工刀具；从经济性和技术性能考虑，自回转结构形式的硬质合金刀具是聚晶金刚石PCD刀具很好的替代刀具。
　　 (2)采用正交试验法，研究了SiCw/Al和SiCp/Al铝基复合材料的精密加工性能。研究结果表明：在第三切削变形区的切削变形过程中，碳化硅增强体(SiCw、SiCp)与切削方向之间所处的位相及变形破坏方式对已加工表面的微观结构和表面粗糙度影响很大，当其处于与切削方向垂直的位相时，容易产生直接切断方式的破坏变形，所获得的已加工表面微区域表面粗糙度值最小；加工变质层基本上可以分三层，显微硬度最大的部位处于第二层，该层内发生了增强体的转动和细化，增强体的转动和细化可有效增大显微硬度值。
　　 (3)采用单因素试验法，研究了碳化硅晶须增强铝基复合材料的电火花线切割加工性能。研究结果表明：电火花线切割法加工陶瓷增强铝基复合材料可以获得较好的加工表面；已加工表面具有“燕窝”状的复杂结构，其表面粗糙度值是由凹坑、凸缘凸起、二次粘接的铝基体熔滴、裂纹等结构综合作用的结果；线切割速度和表面粗糙度与脉冲宽度、脉冲间隔、SiC晶须的体积分数及分布状态等密切相关。
　　 (4)采用单因素试验法，研究了碳化硅晶须增强铝基复合材料的摩擦磨损性能。研究结果表明：碳化硅增强铝基复合材料比铝基体材料具有更好的耐磨性，机理是复合材料中的陶瓷增强体承担了大部分的磨损载荷。所建立的复合材料磨损率模型―多元非线性方程可以进行试验预测，实例表明试件的表面质量越好，则试验值与预测值符合的就越好。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 陶瓷增强铝基复合材料的研究背景

1.1.1 工程背景

1.1.2 应用特点

1.2 陶瓷增强铝基复合材料的加工技术研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 研究中存在的问题

1.4 本研究的主要内容及意义

第2章 陶瓷增强铝基复合材料的切削力研究

2.1 切削力基本构成及测量

2.1.1 切削力的基本构成

2.1.2 切削力的测量

2.2 切削力测量系统

2.3 试验材料、刀具及方法

2.3.1 试验材料及刀具

2.3.2 试验方法

2.4 切削力波形特征

2.4.1 切削不同材料时的切削力波形比较

2.4.2 采用不同种类刀具时的切削力波形比较

2.4.3 切削力波形特征

2.5 复合材料平均切削力的影响因素分析

2.5.1 工件材料的影响

2.5.2 切削用量的影响

2.5.3 刀具种类、刀具几何参数及结构形式的影响

2.6 本章小结

第3章 碳化硅增强铝基复合材料的精密加工表面质量

3.1 基本理论预备

3.1.1 金属切削变形区的划分

3.1.2 第三切削变形区的变形过程

3.2 试验材料及刀具

3.2.1 车削试验及其刀具

3.2.2 试验材料

3.3 实验方法

3.4 试验结果的分析与讨论

3.4.1 已加工表面的微观结构

3.4.2 第三切削变形区中SiC增强体位相研究

3.4.3 已加工表面的粗糙度

3.4.4 精密加工表面微观结构及化学成分能谱

3.4.5 加工变质层研究

3.5 本章小结

第4章 陶瓷增强铝基复合材料电加工试验研究

4.1 材料性能及其制备方法

4.1.1 物理及化学性能

4.1.2 制备方法

4.2 线切割加工原理

4.3 试验材料与方法

4.3.1 试验材料

4.3.2 试验方法

4.4 试验结果与分析

4.4.1 线切割已加工表面微观形貌

4.4.2 电参数对切割速度、表面粗糙度的影响

4.4.3 非电参数对线切割速度、表面粗糙度的影响

4.4.4 已加工表面微观形貌、切割速度、表面粗糙度之间的关系

4.5 本章小结

第5章 摩擦磨损研究

5.1 表面形态与表面接触及摩擦磨损机制

5.1.1 表面形态与表面接触模型

5.1.2 摩擦磨损机制

5.2 试验材料及方法

5.2.1 试验材料

5.2.2 试验方法

5.3 干摩擦磨损性能研究

5.3.1 载荷对试验材料摩擦磨损性能的影响

5.3.2 转速对试验材料摩擦磨损性能的影响

5.3.3 加载时间对试验材料摩擦磨损性能的影响

5.3.4 复合材料磨损率回归统计模型

5.3.5 磨损表面的SEM分析

5.4 本章小结

第6章 研究总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文