颗粒增强金属基复合材料磨削加工机理及高表面质量加工工艺理论研究

This research mainly targets to satisfy the rapidly growing machining demond of metal matrix composites. According to problems exist during metal matrix composites grinding, such as lack of perfect theoretical basis and evaluation method for processing quality measurement. This research systematic study on grinding mechanism of composite materials and high surface quality processing technology. The removal mechanism of composite materials are researched based on special structural of composites and the single abrasive scratch test. The mathematical model of plastic grinding condition is established, the plastic grinding condition of composite material is obtained by means of simulation and experiment. The grinding force mathematical model of composite materials is buided, and the influence of processing conditions on grinding force and force ratio and the relationship between force ratio and material removal mechanism are studied. The surface roughness Ra mathematical model of composite materials is buided, then the surface topography is evaluated by Ra and power spectral density together. Furthermore, the metallographic structure, hardness, residual stress are joint evaluation of surface quality and the processing conditions for obtaining better surface quality is obtained. The achievements of this research could significantly improve composite materials grinding quality and meanwhile accelerate the applying process.

本项目以满足日益广泛应用的金属基复合材料加工需求为主要目标，针对目前复合材料磨削加工缺少系统完善的理论基础和加工质量评价方法等问题，系统研究复合材料磨削加工机理和高表面质量加工工艺；针对复合材料的特殊结构性能，基于单颗磨粒划痕实验，探讨复合材料去除机理；建立复合材料塑性域磨削条件的数学模型，通过仿真和实验相结合的方法，给出复合材料塑性域磨削条件；建立复合材料的磨削力数学模型，并且研究不同加工工艺条件对磨削力和磨削力分力比的影响以及磨削力分力比与材料去除机制的关系；建立复合材料的表面粗糙度Ra的数学模型，采用Ra和功率谱密度共同评价表面形貌。此外，结合表面/亚表面金相组织，硬度，残余应力，共同评价表面质量，实现金属基体和增强相颗粒两相不连续介质有效同步去除给出复合材料磨削加工获得高表面质量的加工工艺方案。本课题的研究成果将为提高金属基复合材料磨削加工产品的质量和推动其应用起到重要的促进作用。

项目针对颗粒增强金属基复合材料磨削加工过程中受两相协同变形控制的问题，开展了金属基复合材料磨削机理和加工工艺理论基础研究。建立了单颗金刚石磨粒磨削金属基复合材料的有限元仿真模型，通过分析金属基复合材料增强相颗粒和金属基体两相材料的去除过程、去除模式以及产生磨屑的形状，研究了复合材料的去除机理。同时，仿真研究了单颗磨粒磨削金属基体和增强相颗粒时磨削力的变化情况，借助磨削力的变化进一步证明了复合材料的去除机理。建立了磨削金属基复合材料的磨削力理论模型，通过实验验证了模型的正确性，并且进一步分析了磨削参数对磨削力的影响情况。此外，还进行了金属基复合材料磨削声发射实验研究，分析了磨削参数对AE信号的影响及原因，通过AE信号进一步研究了复合材料增强相颗粒的去除方式。此外，对不同砂轮磨削不同体积分数的金属基复合材料的磨削工艺进行了研究，树脂砂轮磨削性能优于电镀砂轮，低体积分数的复合材料具有更好的可磨削性。同时，研究了金属基复合材料磨削后表面特征及表面缺陷产生的原因和抑制方法，结合材料去除机理分析了工艺参数对表面/亚表面质量的影响情况，并且给出了增强相颗粒塑性域去除条件和获得较好表面/亚表面质量的工艺条件，为提高金属基复合材料磨削加工产品的质量和推动其应用起到了重要的促进作用。