TiB2/Al复合材料切削表面完整性演化机理及主动控制方法研究

In-situ TiB2 particles reinforced aluminum matrix composites (TiB2/Al MMCs) is a promising material for aerospace applications due to its superior properties such as low density, high specific strength and stiffness, and anti-fatigue performance. Influenced by the different reinforcements, the machining theory of SiC particles reinforced aluminum matrix composites is not suitable to describe the machinability and surface integrity evolutionary process of this kind of Al-MMCs. Hence, focuses on the basic problem that the influence mechanism of TiB2 particles on machinability of TiB2/Al MMCs, dynamic behavior of reinforcement during the cutting process will be investigated through the inspection of contact phenomenon in multi-interface of tool - chip - workpiece. The cutting force model and thermal model for TiB2/Al MMCs will be developed. Moreover, the evolutionary mechanism for anti-fatigue metamorphic layer under coupling effect of cutting force and thermal will be researched. The characterization parameters' predication models for surface integrity will be established. Finally, the surface integrity monitoring method will be proposed to meet the requirement of anti-fatigue fabrication for TiB2/Al MMCs blade. The developed theory and technologies can enhance the cutting theory for Al-MMCs, and provide basic theories and methods for high performance machining of independent intellectual property rights TiB2/Al MMCs blades.

原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料具有密度低，比强度、比刚度高，抗疲劳性能好等特点，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。由于增强颗粒对机加性能的影响机制差异，现有SiC颗粒增强铝基复合材料切削理论并不能很好解释该新型材料的切削机理及加工表面完整性演化过程。为此，项目围绕TiB2颗粒对铝基复合材料切削性能影响机制这一基本科学问题，通过考察刀具-切屑-工件多界面物理作用过程，揭示增强颗粒在切削过程中的动态行为；建立适用于纳米颗粒增强铝基复合材料的切削力、热物理模型，探索切削力、热耦合作用下材料抗疲劳表面变质层演化机理，构建表面完整性关键表征参数预测模型，并提出面向TiB2/Al复合材料叶片抗疲劳制造需求的表面完整性控制方法。项目预期可建立针对原位自生纳米颗粒增强铝基复材的切削理论，进一步丰富铝基复合材切削理论体系；同时可为具有自主知识产权的TiB2/Al复合材料叶片高性能制造奠定技术基础。

原位自生TiB2/Al复合材料具有密度低，比强度、比刚度高，抗疲劳性能好等特点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。由于增强颗粒的影响，现有的切削理论并不能很好解释该型材料的切削机理。为此，项目针对TiB2/Al复合材料切削机理及表面完整性演化机制这一基本科学问题，揭示了刀具-切屑-工件多界面作用机制，建立了切削力/热物理模型，阐释了力/热耦合作用下的表面完整性演化机制，提出了表面完整性主动控制方法。项目取得的成果主要有：.论文的主要研究内容和创新点如下：. （1）揭示了TiB2/Al复合材料切削过程刀具-切屑-工件多界面耦合作用机制。基于切削实验及数值仿真模型，研究了切削变形区刀具-切屑-工件接触面的相互作用，揭示并阐述了材料切削过程中的塑性变形过程及切屑成型机理。此外，深入分析和研究了超声振动作用下的刀具运动特性，在此基础上，揭示了超声振动作用下的TiB2/Al复合材料切削过程刀具-切屑-工件界面的接触状态及多界面耦合作用机制。. （2）建立了切削力与温度场预测模型，分析研究了切削力与温度的形成机制与分布规律。基于刀具-切屑-工件界面接触状态，结合材料切削特点，建立了TiB2/Al复合材料切削力模型，揭示了切削力产生机理；在此基础上，基于移动线热源理论，求解了热源分配比，建立了TiB2/Al复合材料切削温度模型，分析研究了切削温度的产生机理及变化规律。. （3）揭示了力、热耦合作用下TiB2/Al复合材料切削表面完整性演化机制。通过表面完整性实验，结合切削力、热模型及其变化规律，深入剖析了力、热耦合作用对加工表面粗糙度、残余应力、残余应力变质层、加工硬化等的影响，揭示了TiB2/Al复合材料力、热耦合作用下的切削表面完整性演化机制。. （4）提出了TiB2/Al复合材料表面完整性主动控制方法。以TiB2/Al复合材料切削表面完整性研究为基础，重点研究了表面粗糙度对疲劳寿命的影响规律，建立了基于表面粗糙度的疲劳寿命预测模型。同时，面向复合材料抗疲劳制造需求，重点研究了超声振动辅助切削工艺与表面完整性之间的映射模型，提出了表面完整性主动控制方法，确定了超声振动辅助切削工艺参数控制域。