SiCp_Al复合材料孔加工刀具适配性钝化工艺研究.pdf

摘要

碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）作为一种新型的轻质复合材料，具

有低密度、高强度、高比刚度、高耐磨性等优良机械性能，在航空航天、精密仪器

和汽车等领域得到了广泛的应用。然而在对SiCp/Al复合材料钻孔时，由于高硬度

碳化硅颗粒增强相的随机分布以及钻孔时刀具刃口承载的不均匀特性，使得具有

均匀钝化刃口的钻头在加工中极易出现刃口的非一致性磨损，导致刀具寿命短、刃

口局部早期破损、孔壁表面质量差、孔口毛刺崩边等问题，严重制约了SiCp/Al复

合材料推广使用。对此本文提出了一种非均匀刃口适配性钝化设计的新思路，并围

绕于此；利用“微单元法”构建SiCp/Al复合材料孔加工钻削力模型，结合数值仿

真分析钻头刃口各处的受力分布；针对SiCp/Al复合材料开展三维钻削仿真和加工

实验，筛选合适的钻削试验参数，并对孔加工质量进行工艺优化；针对孔加工刀具

刃口承载的非均匀特性，对刃口进行适配性钝化设计，利用毛刷和磁流变钝化工艺

分别制备了均匀钝化和非均匀钝化的钻头，通过失效形态对比验证了适配性非均

匀钝化刃口的优点，论文主要从以下几个方面开展工作：

（1）铝基复合材料孔加工钻削力研究。分析麻花钻的几何结构和工作原理，

结合钻头结构对主切削刃、横刃进行受力分析，利用“微单元法”构建了考虑颗粒

增强相的钻削力理论模型，结合数值仿真的方法探究钻头刃口各处的受力分布。针

对钻头主切削刃、横刃工作方式不同，分别构建钻头主切削刃和横刃的仿真模型，

结合有限元仿真结果对钻头刃口受力分布、颗粒造成的加工缺陷进行分析总结。

（2）铝基复合材料三维钻削仿真和钻孔加工试验。利用仿真和试验的方法研

究转速、进给量等加工参数对钻孔轴向力和扭矩的影响规律。试验后使用VK-100

激光显微镜对孔壁表面粗糙度进行测量分析，在此基础上通过对孔口、孔壁质量的

分析，筛选出合适的孔加工试验参数，优化钻孔加工工艺，为后续刀具钝化磨损试

验的参数设计提供了选择的依据。

（3）孔加工刀具适配性钝化工艺研究。利用毛刷钝化和磁流变钝化分别制备

了均匀圆弧半径刃口和非均匀圆弧半径刃口的钻头。通过钻削磨损试验对比了均

匀刃口、非均匀刃口以及不同钝圆半径刃口对刀具使用寿命的影响，并对铝基复合

材料钻孔加工过程中刀具的磨损形式、磨损机理及刀具寿命进行了研究，得出刃口

钝化半径在15μm到20μm左右时，刀具使用寿命得到有效提升。采用磁流变适配

性钝化工艺制备的非均匀钝化刀具，较均匀钝化的刀具相比，其磨损量更小，能够

取得较为满意的结果。

关键词：SiCp/Al复合材料；孔加工；钻削力；适配性钝化；刃口钝圆半径

Abstract

Siliconcarbideparticlereinforcedaluminummatrixcomposites(SiCp/Al),asa

newtypeoflightweightcompositematerial,haveexcellentmechanicalpropertiessuch

aslowdensity,highstrength,highspecificstiffness,andhighwearresistance.Theyhave

beenwidelyusedinaerospace,precisioninstruments,andautomotivefields.However,

whendrillingSiCp/Alcompositematerials,duetotherandomdistributionofhigh

hardnesssiliconcarbideparticlereinforcementphaseandtheunevenbearing

characteristicsofthecuttingedgeduringdrilling,drillbitswithuniformlypassivated

cuttingedgesarepronetoinconsistentwearofthecuttingedge