某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

金属基复合材料因其独特的物理和力学性能，越来越多地应用于各种工程行业，尽管由于金属基复合材料复杂的微观结构和较差的可加工性，对其精密加工知之甚少，但对其加工机理和相关的表面生成机制的全面科学理解是非常重要的，特别是对于金属基复合材料的工业规模应用。

为了研究切削速度、进给速度和切削深度对材料去除、切屑形成机理和表面生成过程的影响，提出了热-机械-摩擦学集成建模和分析方法，模拟结果表明，在颗粒增强金属基复合材料的精密加工中，提高切削速度和减小切削深度可以降低加工表面粗糙度。

当以较小的进给速度进行加工时，表面流动波纹减少，这有助于更高的表面质量，精心设计的加工试验是在与模拟试验相同的切削条件和工艺参数下进行的，与模拟结果吻合良好。

而且金属基作为复合材料，因重量轻、强度高、刚度大、热膨胀系数低和耐磨性好等优异性能，在许多工程应用中极具竞争力，考虑到这些性能，颗粒增强金属基复合材料如B4C/Al金属基复合材料，广泛应用于航空航天、军事国防、核工业等各种工程领域。

除此之外，B4C/Al金属基复合材料可根据高精度工程对材料的要求进行设计，并可作为特定工程应用的替代材料，然而，这种金属基复合材料典型的不均匀性、各向异性和低延展性导致其难以加工且制造成本高，快速的工具磨损、较高的能量需求以及相关的较差的可加工性和表面完整性是精密加工金属基复合材料的潜在缺点，这阻碍了它们的工业规模应用。

同时对材料变形行为、增强材料对切屑形成的影响，以及金属基复合材料的可加工性的科学理解和全面分析，对于实现更高的表面完整性、延长工具寿命、进一步降低加工成本，以及将金属基复合材料扩展到大批量工业规模应用中至关重要。

其中加工过程变量，尤其是切削速度、进给速度和切削深度，显著影响材料去除过程，从而影响表面粗糙度和材料可加工性，这些对加工金属基复合材料的表面光洁度的影响与加工均质材料的相似，然而，由于在金属基复合材料中存在增强颗粒取向的微观结构，一些差异是显而易见的。

而且金属基复合材料的加工进行了大量的有限元建模和分析，特别是对金属基复合材料的切削力学和加工工艺进行了研究，Pramanik等人介绍了金属基复合材料的加工特性，将刀具-颗粒相互作用分为三种情况：颗粒沿切削路径、在切削路径上方和下方。

基于有限元的模拟表明，工具-颗粒相互作用和颗粒/基体中的应力/应变分布是颗粒脱粘、表面损伤和工具磨损的主要原因，用切削力和von Mises等效应力模型研究了不同切削条件下SiCp/Al复合材料的切削过程，有限元模拟结果表明。

值得一提的是，切削速度和切削深度，对颗粒基体上的切削力和应力分布有显著影响，Shao等人开发了一种增强型有限元模型，该模型考虑了直接强化、间接强化和界面脱粘效应，用于表征颗粒尺寸相关的流动强化和金属基复合材料界面损伤，Ghandehariun等人提出了一个有限元模型。

其用于研究不同切割情况下增强颗粒的脱粘和断裂，金属基复合材料的加工过程和相关的表面粗糙度，亚表面损伤和工具磨损也已经进行了广泛的实验研究，颗粒增强金属基复合材料的最佳加工条件是最近研究的热点。

吗哪和巴塔查里亚15提出了一种基于田口方法的研究金属，基复合材料车削过程的方法，该方法表明切削速度、进给量和切削深度的影响大致等于对表面粗糙度(Ra)的影响；与切削速度相比，切削深度和进给量对最大峰谷粗糙度影响更大。

王等开展了高速铣削Al/SiC/65p的实验研究，结果表明，对表面粗糙度影响最大的切削参数是铣削速度，其次是进给速度和铣削速度的交互作用，再次是进给速度，巴布等人[17发现在车削Al/SiC/B时，进给速度是影响表面粗糙度的主要参数。

其次是切削速度4C MMCs，而DOC对表面质量的影响最小，B的存在4如Kumaran所发现的，基体上的c颗粒对增加表面粗糙度(Ra)有显著贡献，并且切削速度对影响表面粗糙度的贡献大于其他变量，由于颗粒效应，在高速切削15% SiCp/Al时，裂纹和凹坑的数量明显减少。

尽管对金属基复合材料加工工艺的研究已经广泛开展，大多数研究和开发工作都集中在单个应用案例研究上，对加工过程的整体科学理解变得至关重要，不仅如此，对于切屑形成过程和表面生成的切削机理还知之甚少51漫画。

这些增强颗粒在切屑形成过程中所起的作用以及颗粒被去除或破裂的方式也不存在，这对于材料设计和制造，特别是对于具有更好的机械加工性能来说，是非常有用的数据和信息。

关于金属基复合材料加工的集成建模与分析，通过热-机械-摩擦学综合方法进行的，在Abaqus/Explicit 6.14中对金属基复合材料微切削机构进行了有限元分析，特别是针对切屑形成力学，这个2D正交微切割模型的示意图，对于金属基复合材料工件，B4由于制备方法的不同。

在Al 2024基体中均匀分布着体积分数为50%的碳颗粒，B的平均粒度4c粒子的直径是5微米，根据粉末冶金制造方法，在基体材料和颗粒之间的界面上发现机械结合，因此，仅通过将颗粒与基质材料捆绑在一起来模拟颗粒，这使得颗粒在界面区域的初始位移都等于零51漫画。

而不是在模拟界面属性时在界面中构建人工层，界面脱粘可通过基体材料失效实现，金属基复合材料的切削性能受到切削参数，颗粒相对于刀具位置的位置的显著影响，因此，模型在各种切削参数和相对于切削工具的粒子位置下进行。

聚晶金刚石(PCD)工具因其高硬度和高导热性而具有更高的工具寿命，通常用于金属基复合材料加工，因此，在该模型中应用了PCD刀具，其前角和后角分别定义为-5°和5°，由于其极高的强度。

工具-工件相互作用和热量产生，工具/基体材料和工具/颗粒的相互作用通过运动学的面-面接触副模型来模拟，摩擦模型t弗里克 =  部 (μδn, τs)被应用，其中μ是摩擦系数，定义为接触压力的函数。

δn是切屑和刀具界面上的法向压力；τs是极限剪应力，可通过以下等式计算得出taus= deltay/ sqrt3. δy是材料的初始屈服应力，受库仑摩擦定律控制的接触，给定的恒定摩擦系数为0.35。

在金属基复合材料超精密加工中，由于切屑形成过程(包括切屑生成和切屑在刀具表面的滑动)中的大部分能量消耗最终都转化为热能，因此在有限元模型中应用并集成了热模块。

材料塑性变形和刀具-工件摩擦所产生的耗散能量几乎都作为热源在事后执行，工具/工件接触区域上的热量产生和热传递导致材料软化、工具磨损发生和工具失效，此外，在不同的温度下，切削应力和切削力有显著的变化。

不仅如此，金属基复合材料超精密加工中的切屑形成过程非常复杂，包括基体材料的弹塑性变形、增强颗粒的脱粘、位错、断裂，以及基体颗粒界面结合区的反应，决定切屑形成特性和最终表面质量的断裂方向在不同的切削条件下是不同的。

因此，深入了解切屑形成机理以获得更好的表面粗糙度和表面性能是非常重要的，模拟中考虑了刀具切削刃和工件之间的相互作用，包括基体材料、颗粒及其界面，分别研究了颗粒中心位于切割线以上、颗粒中心位于切割线上和颗粒中心位于切割线以下三种切割情况。

对于颗粒中心高于切割线的情况，切割工具首先接近基体材料，基体材料发生塑性和弹性变形，并且可以观察到沿着切割线产生碎片，随着切割工具的持续接近，急剧增加的应力导致基质/颗粒界面上的高应变。

当切削力超过结合力时，结合失效发生在界面边界，同时，由于界面处的应力集中，沿着基体、颗粒对的分离方向形成了一些小的空洞，裂纹的扩展通过这些空洞的结合得到加强，随着切割工具的进一步接近，基体材料显著发生断裂，并且在剪切平面上形成碎片。

而且工具附着在增强颗粒上时，高应力导致脆性颗粒断裂，首先在颗粒上留下凹槽，随着颗粒的继续断裂，裂纹产生于未加工颗粒区域的上下两个方向，随着工具继续向前移动，会发现更多的裂纹，可以观察到不连续的基体材料碎片，在工具切穿整个表面之后，可以发现空腔，尤其是颗粒、基质界面区域上的空腔。

对于颗粒中心低于切割线的情况，基质材料的破裂与颗粒中心高于切割线的情况相似，界面脱粘和基体断裂显著发生，颗粒的断裂性质有所不同，当工具附着在颗粒上时，高应力导致脆性材料断裂。

切削工具的进一步接近导致几乎所有的裂纹都朝向未加工颗粒区域的下方产生，随着工具不断向前移动，也发现了更多的裂纹，在工具切穿整个表面之后，可以发现空腔，尤其是颗粒、基质界面区域上的空腔，而在破碎颗粒的工具伸出区域可以观察到更多的裂纹，这可归因于在工具接近之前颗粒已经破碎，并且这些破碎的元素随后与形成的基体材料碎片一起行进。

对于颗粒中心位于切割线上的情况，基体材料的破裂仍然与其他两种情况相似，颗粒断裂特性令人感兴趣的是，高应力导致脆性材料在第一次附着时断裂，随着切削工具的进一步接近，裂纹朝着未加工颗粒区域的切削方向产生，这表明当在切割线上切割时，颗粒沿着切割线断裂，沿着刀具轨迹形成较少的裂纹，并最终留下更光滑的表面。

由于极高的剪切应力，主要的切屑形成机制包括从切屑的自由表面引发裂纹，增强颗粒的正态分布和它们的高体积分数导致不连续的切屑形成，这三种情况下显示的平均碎片长度相似，约为5μm，具有脆性的颗粒由相互连接的小段组成。

这些片段在切割过程中被分离，最终观察到的碎片是小片段，这些片段中的一部分可以在加工过程中填充裂纹，并使最终的表面更光滑，而大部分片段与切屑一起被去除，因此，根据综合模拟结果中显示的基体材料断裂和颗粒断裂的特性，MMCs超精密加工中的切屑形成可以被视为粉末形式的切屑。

而且随着工具基体和粒子的相互作用，表面逐渐生成，材料断裂和表面缺陷沿着进给方向和切割方向发生，所以切削速度、切削深度和进给速度被认为是金属基复合材料超精密加工模拟的关键因素。

其实提出了一种金属基复合材料超精密加工的综合模拟-实验方法，旨在发展对过程力学的全面科学理解和相应的过程优化策略，进而为金属基复合材料的设计和制造提供具有显著改善材料可加工性的新方案。