SiCp/Al复合材料表层冷冻强化及高完整性表面磨削机理研究

针对SiCp/Al复合材料高完整性表面加工难题，本项申请提出对磨削表层施以冷冻强化作用，在磨削区建立SiC颗粒增强相与Al合金基体相延性耦合去除的力学条件和磨削条件，实现SiCp/Al复合材料高完整性表面磨削加工的新思想。拟应用压痕断裂力学理论、材料的微观力学理论、有限元法等理论工具，通过理论与实验相结合的方法重点研究：磨削加工微观力学模型及实现SiC颗粒增强相与Al合金基体相延性耦合去除的力学条件和磨削条件；表层冷冻强化作用下的SiCp/Al复合材料磨削机理；高完整性表面磨削形成机理及其评价方法；冷冻条件对SiCp/Al复合材料机械性能及表层力学性能的影响；表层冷冻强化作用下已加工表面机械力学性能变化及SiC颗粒增强相与Al合金基体相的界面结构。本项研究对建立SiCp/Al复合材料高完整性表面的超精密加工方法及理论，促进其在反射镜等高新科学技术领域的应用具有重要意义。

高体分SiCp/Al复合材料具有一系列优异性能，在航空、航天、光学、电子等高技术领域应用前景广阔，由于SiC颗粒增强相与Al合金基体相截然不同的特性，其精密、超精密加工较为困难。本项目提出开展SiCp/Al复合材料表层冷冻强化及高完整性表面磨削机理研究，重点进行了高完整性表面磨削的力学条件、冷冻作用对SiCp/Al复合材料机械力学性能及应力和界面结构的影响、高完整性表面磨削机理及工艺、表面完整性评价等方面的研究，主要内容和创新性成果如下：1）应用三维非线性有限元法和压痕断裂力学理论，研究了磨粒钝球半径和压入深度对SiC颗粒脆-塑性去除转变及Al合金基体塑性变形的影响，提出了实现SiC颗粒与Al合金基体延性耦合磨削去除的力学条件和理论磨削深度；通过压痕实验研究了压痕深度、压痕作用位置及SiC颗粒形状对SiC颗粒裂纹产生的影响，提出了实现SiC颗粒塑性域去除的机理和条件。2）通过有限元仿真和冷冻实验研究了冷冻作用对SiCp/Al复合材料的应力状态、SiC颗粒与Al合金基体变形、增强相与基体相之间的界面状态变化、已加工表面硬度和残余应力的影响。研究表明冷冻作用提高了Al合金基体的硬度和强度，加强了对SiC颗粒的把持强度，有利于提高SiC颗粒与Al合金基体的变形协调性。冷冻处理降低了SiC颗粒与Al合金基体的残余应力差别，界面结合状态良好。3）建立了SiCp/Al复合材料的磨削去除模型，研究提出了SiCp/Al复合材料磨削表面缺陷及磨屑的形貌特征、影响因素及形成机理。4）系统研究了SiCp/Al复合材料在湿式、干式、低温冷冻及ELID磨削工艺条件下的磨削机理，提出了磨削深度、工件进给速度和工艺条件对磨削力及磨削力分力比的影响规律，提出了磨削深度及工件进给速度对工件表面磨削温度及温度场分布的影响规律。5）对比研究了湿式、干式、低温冷冻和ELID磨削工艺条件下的SiCp/Al复合材料磨削表面特征及形成机理；提出了低温冷冻磨削和ELID磨削实现SiC颗粒塑性去除、获得高完整性表面的机理和条件，实现了SiCp/Al复合材料的镜面磨削。6）研究了三维表面粗糙度、表面轮廓功率谱密度及表面分形维数在SiCp/Al复合材料磨削表面评价中的特点和适应性，提出了能够反映SiCp/Al复合材料磨削表面特征的表征参数体系，并以此为基础研究了磨削参数及工艺条件对表面质量的影响。