复合材料三维圆周铣削过程的有限元仿真
文献综述
1.1研究目的与意义
近年来，由于一些高兴技术的兴起，部分传统材料已无法满足多种产业对其比强度、比刚度等性能的要求。关于高性能材料的研发是现今新科技发展的重要方向，而复合材料的出现在较大程度上解决了材料所面临的问题，促进了材料的发展[1]。
复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成的具有新性能的材料。按照基体材料的不同进行分类，可包括三大类：聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)。由于具备较高的比强度和比刚度，金属基复合材料的研究和发展受到了众多行业尤其是重工业的密切关注[2]。金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以镁、铝、铜、铁、锌、钛、镍等金属或其合金作为基体，以有机高分子、无机非金属或金属的连续纤维、短纤维、可以或编织物作为增强材料，经各种工艺复合而成的一种新型材料。通常根据增强体不同，可将金属基复合材料分为以下三类[3]：颗粒增强金属基复合材料、晶须增强或短纤维增强金属基复合材料和长纤维或连续纤维增强金属基复合材料。
金属基复合材料同时汇聚了基体和增强相的优势，以其卓越的性能为制造者和使用者提供了全新的解决方案。通过基体和增强相之间不同比例或不同方式的混合设计者可以得到性质不同的复合材料，这样设计者就可以根据不同的实际使用需求设计出不同特性的复合材料。同时，原料及制造方面低廉的成本使得复合材料在不同领域竞争中成为特别受欢迎的候选材料[4]。
MMCs从上世纪中叶开始得到发展，期初为硼/铝复合，后来为碳/铝复合。至今，这类材料已经成为各国高新技术研究重点与热点。其中，颗粒增强型铝基碳化硅复合材料是一类典型的金属基复合材料。铝基碳化硅复合材料的增强相是碳化硅颗粒，基体是铝及其合金。它的比强度和比模量高，耐高温性能和耐磨损性能好，热膨胀系数小，具有良好的尺寸稳定性，其加工成本很低，而且可用改变碳化硅颗粒的含量或大小及基体种类的方法来加工合成出各种专用复合材料[5-7]。
铝基碳化硅复合材料虽然具备诸多优良性能，但这种材料硬而脆，其集体和增强相在微观层面具有不均匀性，切削时两相的变形不协调，使其机械加工变得异常困难，集中表现在刀具寿命低、加工质量难以控制等方面[8-10]。这些因素严重阻碍了该材料的广泛应用，因此，为了解SiCp/Al复合材料的加工机理，分析影响加工表面质量等的因素，为其加工提供指导，有必要对其切削加工过程进行深入的研究。
在过去对金属切削的研究中，研究者主要是利用切削实验的方法对金属材料切削过程及刀具、材料的切削性能进行研究，该方法成本高，耗时长。有限元分析（Finite Element Analysis,FEA）的基本思想是将求解域离散为多个互连子域，假定每一单元的近似解，然后推导得出满足整体平衡条件的最终极恶，这一过程通常利用计算机进行求解。近年来，有限元分析技术凭借其高效性和便利性，已经在机械制造等众多科学技术领域得到了广泛应用。为了进行有限元模拟，开展铝基碳化硅精密铣削过程有限元仿真及实验研究，需先将这种非均质材料简化为宏观上的均值材料，并对其弹性模量和导热系数进行宏观等效分析；以有限元软件Third Wave为平台对其三维铣削过程进行模拟，研究切削过程的切削力曲线、切屑的形成及形态、温度场分布等仿真结果。选择合适的刀具材料，前角，后角切削用量等参数。
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