高性能轻质材料及其复合构件的加工技术研究

论文摘要

高性能轻质材料层叠复合构件(核心材料是工程陶瓷以及纤维增强聚合物基复合材料)在装甲防护领域有着广泛的应用前景。轻质复合构件成型后,根据装配要求需要进行二次加工,如钻孔、切边、开槽等,尤其需要大量的孔加工。工程陶瓷和纤维复合材料均为难加工材料,加工机理相差迥异,复合成型后加工更加困难,制约了复合构件的推广应用。论文对轻质复合构件的加工技术进行系统深入的研究,为其在我国特种车辆上的应用提供技术支撑。对陶瓷复合构件的加工工艺进行了深入研究。从陶瓷可钻性、钻头结构设计、金刚石参数、胎体配方、烧结工艺等方面系统阐述了专用烧结金刚石薄壁钻头的设计方法和制作过程。钻头胎体采用高性能的多元合金铜基结合剂,经热压烧结制成。通过加工试验,确定了定压进给的加工方式。并提出了施加预压应力的工艺措施以提高加工质量,在此基础上采用水冷却的方法。该加工工艺可推广应用于加工工程陶瓷、纤维复合材料以及其他类似结构和组份材料的轻质复合构件。从理论分析和试验研究两个方面,对复合构件的加工机理进行了深入研究。建立了唇面单颗磨粒的平均载荷以及切削深度的计算公式,并结合压痕断裂力学模型分析了陶瓷磨削钻孔的表面形成机理;通过磨削表面的扫描电镜观察,分析了陶瓷材料的去除方式以及磨削加工损伤;建立了陶瓷磨削加工的磨屑形成模型。结果表明,试验条件下陶瓷材料虽然以脆性断裂去除为主,但也有小部分材料发生塑性变形去除;磨削对气孔的损伤作用不大,但疏松区及晶界间隙对磨削质量有不利的影响:在脆性断裂区域很少有尺寸较大的磨削裂纹,在磨粒划痕区域裂纹则大量存在。理论分析了纤维复合材料的磨削钻孔机理,并结合磨削表面的扫描电镜观察,揭示了增强纤维的断裂破坏机理以及磨削表面的微观结构特征。结果表明,磨削钻孔的实质是使增强纤维在磨粒锋利刃口的作用下被剪切、拉伸或者弯曲破坏而断裂;玻璃纤维的断口形貌分为六种形式,而芳纶纤维的断裂破坏机理则有所不同,其断口形貌可分为七种形式;磨削加工表面由纤维断口表面和树脂涂附表面两部分组成,并存在三种典型的纤维断裂区,决定了加工表面质量。分析了陶瓷复合构件的磨削钻孔过程和钻头的出口打滑机理;通过多元回归分析建立了氧化铝工程陶瓷的钻削力经验公式。从唇面磨损变相、钻头打滑、微观磨损形态以及宏观磨损规律四个方面,对金刚石钻头的磨损特征进行了全面分析。结合理论和实践对钻头唇面磨损变相以及打滑现象进行了深入研究,分析了其产生的原因;通过钻头工作层表面的扫描电镜观察,分析了金刚石和胎体的微观磨损形态以及钻头的磨损机理;并通过磨损试验研究了钻头的宏观磨损规律。结果表明,根据唇面金刚石的进给载荷分布和切削工作负荷分布,加工中唇面发生磨损变相是必然的;磨损异常变相包括严重内喇叭状磨损变相以及拉槽磨损变相两种形式。钻头打滑时唇面的金刚石大多被磨耗呈平面状,处于接近二向受力状态。胎体唇面上金刚石的磨损过程分为完整晶型、轻微磨损和严重磨损三个阶段,而烧结体外圆柱面上的绝大部分金刚石只处于轻微磨损阶段;胎体磨损的典型特征是在金刚石磨粒的周围形成流沙现象;磨损机理主要是机械磨损及化学磨损,机械磨损包括磨耗磨损和破碎磨损两种方式。粒度较细、浓度较高、水口数较少、壁厚较薄、钻压较小时,钻头的磨损速度较小,主轴转速对钻头的整体耐磨性影响不大;钻头的磨损速度以及钻速皆随累积钻孔深度近似呈周期性变化,但两者之间并没有密切的联系;钻头钻速的高低不能决定钻头磨损量的大小;钻头的整体磨损过程可分为快速磨损、稳定磨损以及急剧磨损三个阶段。对复合构件以及KFRP防护内衬进行了加工试验研究,为实际生产提供参考依据。采用烧结金刚石薄壁钻头对陶瓷复合构件以及KFRP进行了钻削试验研究,基于加工效率优化了钻头性能参数以及加工工艺参数。针对双板复合构件的结构特点,确定了合理的孔加工工艺,并试验研究了影响加工效率的主要因素。研制了专用金刚石工具,成功地实现了陶瓷复合构件的台阶孔、通槽以及盲槽加工。分析了切割加工工艺对复合构件以及KFRP加工质量的影响,并采用烧结金刚石锯片进行了切割试验研究,达到了预期的效果。论文中的加工技术已在某特种车辆关键防护部件的实际生产中得到了成功应用,具有较高的推广应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 轻质复合构件在装甲防护领域的应用现状和发展趋势
• 1.3 轻质复合构件加工技术的研究现状和发展趋势
• 1.3.1 工程陶瓷的加工技术研究
• 1.3.2 纤维复合材料的加工技术研究
• 1.3.3 轻质复合构件加工技术的研究现状及发展趋势
• 1.4 论文的主要研究内容
• 2 复合构件的制孔工艺
• 2.1 概述
• 2.2 加工刀具的选择
• 2.2.1 刀具材料
• 2.2.2 金刚石套料钻头
• 2.2.3 套孔加工一般原理
• 2.2.4 烧结金刚石钻头的比较优势
• 2.3 烧结金刚石钻头的研制
• 2.3.1 设计总则
• 2.3.2 陶瓷可钻性
• 2.3.3 钻头结构设计
• 2.3.4 金刚石质量
• 2.3.5 金刚石粒度
• 2.3.6 金刚石浓度
• 2.3.7 钻头胎体
• 2.3.8 钻头制作工艺
• 2.4 加工方式
• 2.4.1 恒定进给试验
• 2.4.2 定压进给方式
• 2.5 工艺装置
• 2.5.1 加工缺陷与工艺装置
• 2.5.2 有限元分析
• 2.6 冷却方法
• 2.7 本章小结
• 3 复合构件的加工机理
• 3.1 概述
• 3.2 磨削钻孔时单颗磨粒的平均载荷及切削深度
• 3.2.1 单颗磨粒的平均承受载荷
• 3.2.2 单颗磨粒的切削深度
• 3.3 工程陶瓷的磨削钻孔机理
• 3.3.1 压痕断裂力学模型和切削加工模型
• 3.3.2 工程陶瓷磨削钻孔的表面形成机理
• 3.3.3 工程陶瓷磨削中材料去除方式的SEM分析
• 3.3.4 工程陶瓷磨削表面损伤的SEM分析
• 3.3.5 工程陶瓷磨削加工的磨屑形成模型
• 3.4 纤维复合材料的磨削钻孔机理
• 3.4.1 纤维复合材料的磨削钻孔过程
• 3.4.2 纤维断口形貌的SEM分析
• 3.4.3 纤维复合材料磨削表面特征的SEM分析
• 3.5 陶瓷复合构件的钻孔机理
• 3.5.1 钻孔过程分析
• 3.5.2 出口打滑机理
• 3.6 陶瓷复合构件的钻削力特征
• 3.6.1 测力装置
• 3.6.2 轴向力的变化特征
• 3.6.3 工程陶瓷的钻削轴向力经验公式
• 3.7 本章小结
• 4 金刚石钻头的磨损特征
• 4.1 概述
• 4.2 钻头唇面磨损变相分析
• 4.2.1 唇面金刚石的工作特征
• 4.2.2 金刚石的工作特征与磨损变相的关系
• 4.2.3 唇面磨损变相形态及改善措施
• 4.3 钻头打滑现象分析
• 4.3.1 打滑机理分析
• 4.3.2 防止打滑的措施
• 4.4 钻头微观磨损形貌的SEM分析
• 4.4.1 金刚石磨损形态
• 4.4.2 胎体磨损形态
• 4.4.3 磨损机理讨论
• 4.5 钻头宏观磨损规律的试验研究
• 4.5.1 试验方案
• 4.5.2 钻头性能参数对磨损速度的影响
• 4.5.3 加工工艺参数对磨损速度的影响
• 4.5.4 钻头磨损速度与累积钻孔深度的关系
• 4.5.5 钻头钻速与累积钻孔深度的关系
• 4.5.6 钻头磨损速度与钻速的关系
• 4.5.7 钻头磨损总量特征
• 4.5.8 磨损过程中的烧结体外形特征
• 4.6 本章小结
• 5 孔、槽及切割加工试验
• 5.1 概述
• 5.2 陶瓷复合构件的钻削试验
• 5.2.1 钻头性能参数优化
• 5.2.2 工艺参数试验
• 5.2.3 加工质量分析
• 5.3 芳纶纤维复合材料的钻削试验
• 5.3.1 钻头性能参数优化
• 5.3.2 工艺参数试验
• 5.3.3 粘刀现象分析
• 5.3.4 加工质量分析
• 5.4 双板复合构件的钻削试验
• 5.4.1 加工方式
• 5.4.2 加工顺序与加工质量
• 5.4.3 加工效率分析
• 5.5 陶瓷复合构件的台阶孔及槽加工
• 5.5.1 台阶孔加工
• 5.5.2 通槽加工
• 5.5.3 盲槽加工
• 5.6 芳纶纤维复合材料及复合构件的切割加工
• 5.6.1 试验条件
• 5.6.2 切割加工工艺
• 5.6.3 纤维复合材料的切割试验
• 5.6.4 轻质复合构件的切割试验
• 5.7 本章小结
• 6 全文工作总结
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 论文创新点
• 6.3 今后研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文