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氧化铝陶瓷钻孔加工损伤及加工方法研究

氧化铝陶瓷钻孔加工损伤及加工方法研究

作者：唐超湘潭大学

学位级别：硕士

工程陶瓷作为典型的硬脆性材料,超高的硬度以及良好的化学性能等优异特性使其在工业领域以及5G建设中得以广泛的应用。然而,高硬度以及高脆性使得工程陶瓷的加工质量难以控制,特别是在陶瓷材料的钻孔加工中,孔的出口崩边以及孔壁损伤几... 详细信息

工程陶瓷作为典型的硬脆性材料,超高的硬度以及良好的化学性能等优异特性使其在工业领域以及5G建设中得以广泛的应用。然而,高硬度以及高脆性使得工程陶瓷的加工质量难以控制,特别是在陶瓷材料的钻孔加工中,孔的出口崩边以及孔壁损伤几乎同时存在。如何控制陶瓷材料的钻孔加工损伤,提高钻孔加工质量,成为了研究人员关注的重点问题。本文通过开展不同钻孔工艺下的氧化铝陶瓷钻孔加工的离散元仿真,研究了陶瓷孔的钻孔加工损伤,提出采用啄钻加工以及在钻孔中使用底部撑块来降低加工损伤,并开展了试验验证。本文的主要内容包括以下几个方面:（1）观测了金刚石钻具表观形貌,并对磨粒形貌进行了简单的分类处理。此外,基于离散元法建立并校准了氧化铝陶瓷工件,构建了不同磨粒形貌以及磨粒参数下的金刚石钻具三维离散元模型,并搭建了氧化铝陶瓷钻孔加工仿真模型。（2）系统地开展了氧化铝陶瓷的钻孔加工离散元仿真,依靠不同磨粒形貌、不同磨粒凸出高度以及磨粒倾斜角度的金刚石钻具模型开展了氧化铝陶瓷钻孔加工的正交试验仿真,观测了仿真过程中不同钻孔工艺下的工件模型损伤情况,并进行了钻削力变化、损伤观测以及加工后成孔情况等分析。（3）通过对氧化铝陶瓷进行钻孔实验,探究了钻孔过程工件与钻具的损伤情况,总结了不同加工参数变化对钻孔加工质量的影响规律,并观测了陶瓷孔损伤以及金刚石钻具的损伤情况。（4）提出了两种不同的氧化铝陶瓷孔的加工方法,包括啄钻加工以及在钻孔中使用底部撑块,构建了不同钻孔工艺下的DEM模型,并对比了不同加工方法下的钻孔仿真结果,探究了不同加工方法下陶瓷孔出口损伤程度。同时,进行了不同加工方法下的氧化铝陶瓷的钻孔实验,通过观测金刚石钻具以及陶瓷工件的损伤情况,探究了不同钻孔方法的优缺点。本文基于数值仿真与实验研究探究了不同加工工艺以及磨粒形貌对氧化铝陶瓷钻孔加工损伤的影响,并对其加工方法进行了研究,本文的研究内容有望进一步完善氧化铝陶瓷钻孔加工的工件损伤机理,为提高工程陶瓷钻孔加工质量提供了指导意见。

关键词：氧化铝陶瓷钻孔加工加工损伤加工方法离散元法

Al/SiC_p复合材料铣削加工损伤形貌与分析

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湘潭大学自然科学学报 2009年第3期31卷 59-64页

作者：张高峰谭援强邓朝晖湘潭大学机械工程学院湖南湘潭411105 湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082

利用硬质合金涂层刀具开展了SiC颗粒(体积含量15%、平均粒径14μm)增强铝基复合材料(简称Al/SiCp复合材料)的铣削加工试验,并采用扫描电镜(SEM)对加工表面损伤与刀具刃口形貌进行显微观察与分析,利用表面轮廓仪对加工表面粗糙度进行测量... 详细信息

利用硬质合金涂层刀具开展了SiC颗粒(体积含量15%、平均粒径14μm)增强铝基复合材料(简称Al/SiCp复合材料)的铣削加工试验,并采用扫描电镜(SEM)对加工表面损伤与刀具刃口形貌进行显微观察与分析,利用表面轮廓仪对加工表面粗糙度进行测量.经分析发现,当切削深度与进给量较小时,加工表面完整性较好,随着切削深度与进给量的增加,加工表面出现了周期性的裂纹损伤,并从金属切削原理与复合材料位错理论对加工损伤机理进行了探讨.

关键词： Al/SiCp复合材料铣削加工加工损伤 SEM显微观察

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硅片加工表面层损伤检测技术的试验研究

人工晶体学报 2011年第2期40卷 359-364页

作者：张银霞李大磊郜伟康仁科郑州大学机械工程学院郑州450001 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024

单晶硅片超精密加工表面层损伤较小,检测评价比较困难。为了确定合适的检测技术,对多种硬脆材料表面层质量检测技术进行了系统的试验研究。结果表明,硅片加工表面宏/微观形貌可采用各种显微镜及3D表面轮廓仪等进行检测,表面损伤分布可... 详细信息

单晶硅片超精密加工表面层损伤较小,检测评价比较困难。为了确定合适的检测技术,对多种硬脆材料表面层质量检测技术进行了系统的试验研究。结果表明,硅片加工表面宏/微观形貌可采用各种显微镜及3D表面轮廓仪等进行检测,表面损伤分布可采用择优腐蚀法和分步蚀刻法检测;粗加工和半精加工硅片的损伤深度宜采用角度抛光法检测,而精加工硅片的损伤深度较小,宜采用截面Raman光谱分析和恒定腐蚀速率法检测;损伤层的微裂纹、位错、非晶及多晶相变等微观结构可采用分步蚀刻法、平视和剖视TEM分析法及显微Raman光谱仪检测;表面层宏观残余应力分布可用显微Raman光谱仪检测,其微观应变可采用高分辨X射线衍射仪的双晶摇摆曲线的半高宽值来衡量。综合以上检测技术可以对硅片加工表面层损伤进行系统的评价。

关键词：硅片加工损伤检测技术

LaPO_4/Al_2O_3可加工陶瓷的磨削加工损伤与表征

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材料开发与应用 2011年第4期26卷 24-27页

作者：张文来王昕姜桂军郑秋菊孙丹丹中国海洋大学材料科学与工程研究院山东青岛266100

磨削加工是目前陶瓷材料的主要加工方法,通过对LaPO4/Al2O3可加工陶瓷的磨削试验研究,进一步分析了陶瓷材料的磨削去除机理、磨削加工损伤以及加工损伤导致的材料力学性能的变化。结果表明,La-PO4/Al2O3可加工陶瓷磨削去除方式主要有两... 详细信息

磨削加工是目前陶瓷材料的主要加工方法,通过对LaPO4/Al2O3可加工陶瓷的磨削试验研究,进一步分析了陶瓷材料的磨削去除机理、磨削加工损伤以及加工损伤导致的材料力学性能的变化。结果表明,La-PO4/Al2O3可加工陶瓷磨削去除方式主要有两种,脆性去除和塑性变形去除。磨削加工对材料表面及亚表面的加工损伤较为明显,加工损伤层的厚度在15μm左右。磨削加工损伤导致材料的硬度和抗弯强度都有一定程度的下降,而且主要与磨削加工的脆性去除方式有关。

关键词： LaPO4/Al2O3可加工陶瓷磨削去除机理加工损伤

高温合金蜂窝芯高速铣削材料去除机理与损伤行为

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机械工程学报 2022年第23期58卷 284-295页

作者：史兰宇王晨光陈杰郭国强黄文斌安庆龙明伟伟陈明上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240 上海航天精密机械研究所上海201600

高温合金蜂窝芯材料具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优异性能,被视为下一代高超声速飞行器热防护结构极具潜力的材料。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺,在蜂窝芯材料高速铣削时,蜂窝芯材料面内刚度低... 详细信息

高温合金蜂窝芯材料具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优异性能,被视为下一代高超声速飞行器热防护结构极具潜力的材料。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺,在蜂窝芯材料高速铣削时,蜂窝芯材料面内刚度低且高温合金塑性好,较小的切削力就会使蜂窝壁产生较大的塑性变形,导致蜂窝芯加工精度较低、加工损伤难以控制,对后续焊接、装配等工序产生不利影响。基于有限元仿真对蜂窝壁切削材料去除机理进行了深入研究,探索了铣削参数、刀具类型和铣削方式对铣削过程中铣削力和加工损伤的影响。研究结果表明,蜂窝壁切入角是影响蜂窝芯材料切削加工过程中瞬时应力分布和成屑机理的关键性因素。得到了铣削参数、刀具类型和铣削方式对高温合金蜂窝芯加工过程中加工损伤的影响规律。对于铣削参数,过大的进给量会导致芯格变形等加工损伤,降低切削速度会提高微小毛刺等加工损伤发生的频率;本文采用的三种刀具的对比结果表明,立式铣刀加工质量最好。插铣方式会产生明显的轴向冲击,而侧铣方式可以有效避免轴向冲击。研究成果为高温合金蜂窝芯低损伤高性能加工提供了理论依据和工艺技术储备。

关键词：蜂窝芯高温合金铣削材料去除机理加工损伤

Ce-ZrO2/CePO4可加工陶瓷性能与加工损伤

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Ce-ZrO2/CePO4可加工陶瓷性能与加工损伤

碳纤维增强陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工技术的研究进展

第十二届全国复合材料学术会议

作者：邱世鹏刘家臣刘志峰李岩李益欢天津大学材料科学与工程学院

研究了加入CePO4对Ce-ZrO2陶瓷性能与加工损伤的影响。通过计算Ce-ZrO2和Ce-ZrO2/CePO4的韦伯模数与二者损伤对比观察,证实了加入CePO4后,材料弯曲强度分布趋于一致,加工损伤明显减小,增加了材料实际应用中的安全性和可靠性,并且由于Ce-... 详细信息

研究了加入CePO4对Ce-ZrO2陶瓷性能与加工损伤的影响。通过计算Ce-ZrO2和Ce-ZrO2/CePO4的韦伯模数与二者损伤对比观察,证实了加入CePO4后,材料弯曲强度分布趋于一致,加工损伤明显减小,增加了材料实际应用中的安全性和可靠性,并且由于Ce-ZrO2陶瓷加工时强度下降幅度大于Ce-ZrO2/CePO4,以加工后强度而言,二者相差不大。

关键词：氧化锆磷酸铈可加工陶瓷加工损伤

来源： cnki会议评论

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机械工程学报 2023年

作者：董志刚王中旺冉乙川鲍岩康仁科大连理工大学辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室

碳纤维增强陶瓷基复合材料(Cf/SiC复合材料)具有良好的化学和热稳定性、高比强度、耐高温以及低密度等优点，被广泛应用于航空航天、高速列车以及核能等领域。目前陶瓷基复合材料构件普遍采用近净成形技术制备，但仍需进行二次加工以满... 详细信息

碳纤维增强陶瓷基复合材料(Cf/SiC复合材料)具有良好的化学和热稳定性、高比强度、耐高温以及低密度等优点，被广泛应用于航空航天、高速列车以及核能等领域。目前陶瓷基复合材料构件普遍采用近净成形技术制备，但仍需进行二次加工以满足最终装配的尺寸精度和几何公差。然而，由于Cf/SiC复合材料具有各向异性和多相非均质的材料特性，其高效低损伤加工需求备受关注。因此，系统地综述了文献报道的Cf/SiC复合材料超声振动辅助铣削加工技术相关研究进展。首先概述了陶瓷基复合材料传统机械加工以及特种能场辅助加工技术的研究现状。其次，从陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工过程中直角切削试验和有限元仿真两方面总结了材料去除机理和超声作用机制；介绍了陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削中切削力建模的方法和陶瓷基复合材料加工表面损伤及其剩余强度方面的研究。最后，分析了陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工的发展趋势以及展望未来研究方向。

关键词：陶瓷基复合材料 C /SiC复合材料超声振动辅助铣削材料去除机理铣削力模型加工损伤剩余强度

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工程陶瓷超声振动辅助下的预压应力压痕试验

中国表面工程 2019年第3期32卷 154-161页

作者：张高峰谢国广王志刚龚俊明谢慧李景焘湘潭大学机械工程学院

提出了一种超声振动辅助加工下的预压应力压痕试验,采用ZrO2、95%Al2O3、SiC工程陶瓷作为试验材料,研究外部载荷对材料的加工损伤影响机理。结果表明,在无预压应力压痕过程中,3种材料的加工损伤表现出不同的形式,如径向裂纹、边缘破损... 详细信息

提出了一种超声振动辅助加工下的预压应力压痕试验,采用ZrO2、95%Al2O3、SiC工程陶瓷作为试验材料,研究外部载荷对材料的加工损伤影响机理。结果表明,在无预压应力压痕过程中,3种材料的加工损伤表现出不同的形式,如径向裂纹、边缘破损和微裂纹;在预压应力压痕过程中,不论是相同法向负载还是相同压痕深度条件下,上述材料的加工损伤都受到了不同程度的抑制,同时证实了预压应力会加大压痕过程的法向力,减小压痕深度。在超声振动辅助下的预压应力压痕试验过程中,由于超声振动的作用机理,有效减小了压痕过程的法向力、增大了压痕深度,有利于工程陶瓷的高效低损伤加工。

关键词：预压应力超声振动加工损伤法向载荷压痕深度

虑及温度影响的CFRTP正交切削仿真与实验研究

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复合材料学报 2024年

作者：魏钢王福吉贾振元鞠鹏程胡晓杭付饶大连理工大学机械工程学院高性能精密制造全国重点实验室

碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(CFRTP)是高端装备减重增效的优选材料。而CFRTP是一种典型的难加工材料，加工中损伤频发。本文对切削CFRTP时的材料去除及损伤形成过程进行了仿真与实验研究。CFRTP切削时易产生塑性变形，且材料性能受... 详细信息

碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(CFRTP)是高端装备减重增效的优选材料。而CFRTP是一种典型的难加工材料，加工中损伤频发。本文对切削CFRTP时的材料去除及损伤形成过程进行了仿真与实验研究。CFRTP切削时易产生塑性变形，且材料性能受温度影响较大。本文建立CFRTP三维正交切削细观仿真模型，并引入J-C模型表征树脂在不同温度下的弹塑性变形。分析了温度及纤维方向角对CFRTP切削去除过程的影响。结果表明，常温下切削，0°及45°纤维方向角时，已加工面较平整，加工质量较好；90°及135°纤维方向角时，纤维弯曲程度明显增大，已加工面有裂纹产生，加工质量较差。高温下切削，0°纤维方向角时，已加工面出现未去除材料；45°纤维方向角时，已加工面出现裂纹，部分纤维未被切断；90°及135°纤维方向角时，已加工面出现更大开裂，工件出现明显的沿厚度方向上的面外变形，发生面外变形的材料难以被有效去除。

关键词： CFRTP 温度正交切削加工损伤仿真