【摘 要】
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SiCp/Al复合材料由于综合性能优异,被广泛应用于航天航空、国防、电子和光学等重要领域。该材料是一种典型的难加工材料,加工中会发生严重的刀具磨损,对加工零件表面完整性产生不利影响。研究其精密切削加工中刀具磨损过程,建立刀具磨损率模型,开展考虑刀具磨损的SiCp/Al复合材料精密切削仿真建模研究,基于仿真数据和实验数据对已切削表面亚表层损伤层厚度进行快速精确预测,对改进加工工艺,提升加工质量有重要
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目“原位观测下金属基复合材料激光辅助精密切削力热行为多尺度表征与损伤预测”（编号:52105447）； 中国博士后面上项目“原位观测与模型融合的 SiCp/Al 复合材料激光辅助精密铣削低损伤工艺研究”（编号:2021M691135）；
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SiCp/Al复合材料由于综合性能优异,被广泛应用于航天航空、国防、电子和光学等重要领域。该材料是一种典型的难加工材料,加工中会发生严重的刀具磨损,对加工零件表面完整性产生不利影响。研究其精密切削加工中刀具磨损过程,建立刀具磨损率模型,开展考虑刀具磨损的SiCp/Al复合材料精密切削仿真建模研究,基于仿真数据和实验数据对已切削表面亚表层损伤层厚度进行快速精确预测,对改进加工工艺,提升加工质量有重要意义。本文围绕“SiCp/Al复合材料精密切削过程刀具磨损对已加工表面亚表层损伤层厚度的影响”这一主旨,开展如下具体研究:建立了SiCp/Al复合材料精密正交切削过程PCD刀具磨损率预测模型。开展干式正交车削40vol%SiCp/2024Al复合材料的测力测温和刀具磨损实验,进行SEM显微观测,EDS和拉曼光谱实验分析,揭示了SiCp/Al复合材料精密切削过程中刀具后刀面磨损机理。基于刀具磨损机理分析结果,构建考虑增强颗粒二体磨粒磨损,三体磨粒磨损和粘着磨损的磨损率预测模型,并对刀具磨损率模型系数进行了校核。建立了考虑刀具磨损和颗粒真实分布的SiCp/Al复合材料精密切削有限元仿真模型。开发了SiCp/Al复合材料颗粒随机分布建模插件,基于基体Johnson-Cook本构模型、增强颗粒断裂模型和界面内聚力模型建立了40vol%SiCp/2024Al复合材料切削过程仿真模型;基于前述章节的磨损率模型对Abaqus Session模块进行二次开发,采用区间数据提取的方法获取了后刀面法向应力仿真数据,并进行刀具磨损量计算及形貌更新。通过对比刀具形貌、切削力、切屑形状及亚表层损伤层厚度的仿真与实验数据,验证了SiCp/Al复合材料精密切削过程有限元仿真模型的准确性。基于仿真和实验数据集建立了考虑刀具磨损的SiCp/Al复合材料精密切削亚表层损伤层厚度快速预测模型。通过精密切削实验和有限元仿真模型获取了亚表层损伤层厚度的实验与仿真数据。构建了加工工艺参数、后刀面磨损宽度与亚表层损伤层厚度之间相互对应的数据集,并基于BP神经网络方法实现了40vol%SiCp/2024Al复合材料精密切削亚表层损伤层厚度的快速预测。
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