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SiC_p/Al复合材料切削过程仿真与实验研究

作　者: 赵永华
导　师: 周明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 金属基复合材料切削加工刀具颗粒相互作用有限单元法
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)具有高的比强度、比模量、良好的导热导电性能以及耐高温、耐磨损等一系列优异的综合性能,在军事、汽车、航空等行业显示出了巨大的应用前景。但颗粒增强金属基复合材料中增强相颗粒的存在,使得PRMMCs加工性能降低,在切削过程中刀具磨损严重,加工表面质量较差,这严阻碍了复合材料的应用与发展。因此研究颗粒增强铝基复合材料的微观切削过程机理,提高和完善PRMMCs的切削加工工艺,对于降低加工成本,提高其加工表面质量具有非常重要的意义。本文选取颗粒增强铝基碳化硅复合材料(SiCp/2024Al)为研究对象,对其切削过程中切削力、切削温度、刀具颗粒相互作用、切削加工表面缺陷及刀具磨损进行了仿真和实验研究。颗粒增强铝基复合材料在切削过程中增强体颗粒与基体、刀具之间的相互作用非常复杂,通过一般的实验或分析方法很难确定金属基复合材料(MMC)铣削加工过程中的变形行为和成形过程。本文利用有限单元法分别从宏观和微观角度建立了颗粒增强铝基复合材料SiCp/2024Al切削加工过程的二维正交切削模型,分析了切削过程中切削力、切削温度的变化规律,并从微观角度模拟研究了SiCp/2024Al的切削加工表面形成过程和刀具与颗粒之间的相互作用,分析了在切削过程中应力应变场的变化规律,研究了切削加工过程中已加工表面缺陷形成以及金属基体的变形行为。在此基础了设计进行了SiCp/2024Al的铣削加工试验,研究分析了铝基复合材料切削加工表面的微观形貌、粗糙度、残余应力和刀具磨损情况,并与有限元模拟结果进行了一定的对比分析,验证了仿真模型的可靠性。通过研究发现增强颗粒在金属基复合材料中的分布情况和刀具与增强体颗粒之间的相互作用是MMC切削加工过程中出现表面缺陷和刀具磨损的主要原因,可以通过提高切削速度,减少震动等措施提高复合材料切削加工表面质量。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-18
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 课题研究的目的和意义  10-11
  1.3 国内外研究现状及分析  11-16
    1.3.1 复合材料切削加工研究概况及分析  11-14
    1.3.2 切削加工有限元仿真技术研究概况  14-16
  1.4 本文的主要研究内容  16-18
第2章复合材料切削过程有限元建模研究  18-32
  2.1 引言  18
  2.2 切削加工过程有限元分析理论基础  18-21
    2.2.1 有限元分析基本思想和方法简介  18-20
    2.2.2 切削过程的弹塑性力学分析  20-21
  2.3 PRMMCS 切削过程有限元建模方法  21-31
    2.3.1 切削过程有限元模型的建立  21-24
    2.3.2 材料本构模型  24-27
    2.3.3 切屑分离准则选取  27-28
    2.3.4 接触摩擦定义  28-29
    2.3.5 有限单元网格划分  29-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 SiC_p/2024Al 复合材料切削过程模拟与分析研究  32-44
  3.1 引言  32
  3.2 基于均质连续模型的宏观切削过程模拟  32-34
    3.2.1 铝基复合材料切削过程切削力有限元模拟  33-34
    3.2.2 铝基复合材料切削过程温度场有限元模拟  34
  3.3 微观尺度切削过程有限元模拟与分析  34-42
    3.3.1 切削区应力场的有限元模拟与分析  36-39
    3.3.2 切削区应变场的有限元模拟与分析  39-40
    3.3.3 微尺度范围内切削力有限元模拟分析  40-42
  3.4 本章小结  42-44
第4章 SiC_p/2024Al 复合材料铣削加工表面质量研究  44-55
  4.1 引言  44
  4.2 复合材料铣削加工实验  44-45
    4.2.1 实验条件  44-45
    4.2.2 实验方案  45
  4.3 实验结果分析研究  45-54
    4.3.1 铣削加工表面微观形貌及粗糙度研究  45-49
    4.3.2 残余应力分析  49-51
    4.3.3 刀具磨损分析  51-54
  4.4 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-60
致谢  60

SiC_p/Al复合材料切削过程仿真与实验研究

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