高体积分数SiCp/Al复合材料铣磨加工工具磨损及表面形成机制研究

With the development of science and technology, high volume fraction SiCp/Al composite is widely used to be manufactured into aerospace structural parts with geometrical characteristics of thin-wall and deep cavity. However, its hard machinability severely restricts the improvement of machining efficiency and machining quality. This project studies the tool wear and machined surface formation mechanism in mill-grinding high volume fraction SiCp/Al composites using electroplated diamond tool. To reveal the wear mechanism of diamond mill-grinding tool, the friction process and interaction mechanism between diamond grit and SiC particles in SiCp/Al composite is studied, and then the wear model of mill-grinding tool is developed, which establishes a theoretical basis for optimization of process parameters. With the help of mechanics of brittle fracture theory, the formation of micro cracks and the micro holes in the machined surface is analyzed. Also, the formation probability of micro holes is characterized using Weibull distribution model and finite element analysis to reveal the surface formation mechanism in mill-grinding of SiCp/Al composite, which can help to gain process conditions for machined surface with low damage. This research has important theoretical significance and practical value for promoting the high efficiency and precision machining of high volume fraction of SiCp/Al composite.

随着科学技术的发展，高体积分数SiCp/Al复合材料在航空结构件中得到广泛应用，这些结构件通常带有薄壁、深腔等几何特征，然而其难加工性严重制约着加工效率和加工质量的提高。本项目使用铣磨加工方法研究电镀金刚石工具加工高体积分数SiCp/Al复合材料时的工具磨损及工件表面形成机制。通过使用摩擦磨损理论和单颗粒划痕法研究金刚石磨粒-SiC颗粒的摩擦过程与相互作用机制，揭示金刚石铣磨工具的磨损机理，进而建立铣磨工具的磨损模型，为优化工艺参数奠定理论基础；借助脆性断裂力学理论深入分析加工表面微裂纹和微孔洞的形成原因，并用威布尔分布模型和有限元分析技术对SiCp/Al复合材料表面加工微孔洞形成概率进行表征，以揭示铣磨加工SiCp/Al复合材料的表面形成机制，从而获得低损伤加工表面的工艺条件。这对于促进上述高体积分数SiCp/Al复合材料结构件的高效精密加工具有重要的理论意义和实际价值。

本项目主要对高体积分数SiCp/Al复合材料在铣磨加工中工具磨损及表面形成机制进行了研究。首先，通过磨粒切削铝基复合材料物理模型分析了金刚石磨粒与SiC颗粒之间的作用，分析了金刚石磨粒上的应力分布对磨粒破碎的影响以及金刚石铣磨工具的磨损形式及机理，简要通过实验得到了基于磨削力的砂轮磨损和加工参数中的砂轮速度和磨粒粒度对金刚石工具磨损的影响特性；进而，通过简要分析了金刚石铣磨工具加工SiCp/Al复合材料时的磨粒磨损特性，并借助相关的参考文献，给出了能基本描述单颗金刚石加工SiCp/Al复合材料时磨粒磨损面积模型以及描述整个金刚石铣磨工具的磨损模型，为后续上述模型的继续深入优化研究做基础；最后，结合有限元仿真和实验的方法，基于单金刚石颗粒加工SiC/Al复合材料研究了SiC颗粒的微裂纹形成及破碎机制和SiC颗粒的已加工表面微孔洞形成机制；分析了电镀金刚石铣磨工具加工SiCp/Al复合材料的表面形貌特征，以及陶瓷基铣磨工具加工SiCp/Al复合材料获得的低损伤加工表面的形貌特征。这对于进一步研究高体积分数SiCp/Al复合材料的铣磨加工机理，为实现其高效高精密加工以及推进复合材料在工程领域的应用和发展具有一定的促进作用。