金属基复合材料振动辅助磁流变抛光关键技术研究.pdf

摘要

摘要

金属基复合材料因其高比强度、高比刚度和低热膨胀系数等优异的力学性能，

被广泛应用于航空航天、电子封装和精密光学仪器等高科技领域。然而，由于金

属基复合材料中基体相和增强相的硬度差异，在传统加工过程中会产生“台阶效

应”，无法获得高质量表面。因此，结合磁流变抛光和振动加工的技术优势，提

出非谐振振动辅助磁流变抛光（Non-resonantVibration-assistedMagnetorheological

Finishing，NVMRF）方法，以典型金属基复合材料—铝基碳化硅（SiCp/Al）为

研究对象，对提高其可加工性展开相关研究。主要围绕NVMRF装置的设计与性

能测试、SiCp/Al材料去除机制和抛光表面质量快速提升等方面展开理论与实验

研究。研究为金属基复合材料的高效加工提供新的方法。主要内容包括：

（1）振动装置的设计与性能测试：基于NVMRF的加工特点，利用柔性机

构理论，以高频率、大振幅为设计目标，对振动装置进行设计，并建立其理论模

型；采用有限元分析法对振动装置的刚度、应力和模态进行仿真，验证模型的准

确性；通过测试实验，对振动装置的固有频率、行程和分辨率等性能进行测试，

为后续的实验研究提供装备基础。

（2）NVMRF材料去除机制的研究：基于纳米压痕实验，对SiCp/Al的微观

力学性能进行测试，分析压痕变形行为；通过纳米划痕实验模拟单个金刚石磨料

的材料去除行为，研究SiCp/Al的材料去除机制；分析金刚石磨料与工件表面之

间的法向力、剪切力、冲击力和碳化硅（SiC）相断裂力，建立NVMRF的抛光

力模型，探究振动参数对抛光力的影响；通过单个金刚石磨料的微观去除，建立

材料去除率（MaterialRemovalRate，MRR）模型，揭示NVMRF过程中SiCp/Al

的材料去除机制。

（3）SiCp/Al的NVMRF仿真与实验研究：基于大规模原子/分子并行模拟

器LAMMPS，建立SiCp/Al的代表性分析单元，探究不同振动方式对SiC相与

基体相之间高度差的影响；利用有限元分析软件，建立SiCp/Al复合材料模型，

模拟单个金刚石磨料在不同振动参数下的材料去除行为，研究振动参数对MRR

的影响。搭建NVMRF实验平台，对SiCp/Al开展NVMRF实验，研究振动参数

对表面质量、抛光力和MRR的影响规律，证明NVMRF可以提高SiCp/Al的可

加工性。

关键词：振动辅助加工磁流变抛光抛光力材料去除率SiCp/Al

I

Abstract

Abstract

Metalmatrixcompositesarewidelyusedinhigh-techfieldssuchasaerospace,

electronicpackaging,andprecisionopticalinstrumentsbecauseoftheirexcellent

mechanicalpropertiessuchashighspecificstrength,highspecificstiffness,andlow

coefficientofthermalexpansion.However,duetothedifferenceinhardnessbetween

thematrixandreinforcedphasesinmetalmatrixcomposites,astepeffectcanoccur

duringconventionalprocessing,preventingahigh-qualitysurface.Thispapercombines

theadvantagesofmagnetorheologicalfinishingandvibrationprocessingtechnologies