摘要
铝合金6061具有高强度、重量轻、高韧性、优良的耐腐蚀性能和相对较低的成本等特点，它是用于制作红外反射镜的主要材料之一。表面粗糙度是表征加工后表面质量的一个重要参数，受到多种因素影响。从目前实际加工铝合金6061情况而言，材料内部颗粒造成表面缺陷和表面质量不稳定。因此，本文研究铝合金6061材料内的颗粒对表面缺陷生成的过程、颗粒对表面粗糙度的影响，建立超精密车削表面粗糙度预测模型，以求对铝合金6061材料加工提供借鉴和参考。主要研究内容如下： 首先，本文基于超精密车削实验和能谱分析得到铝合金6061内的白色颗粒的主要成分。通过纳米压痕实验获取铝合金6061和微晶铝合金6061的硬度和杨氏模量，分析材料内的晶粒细化对材料强度的影响。超精密车削实验研究铝合金6061内白色颗粒对已加工车削表面三维微观形貌、表面粗糙度、表面轮廓和截面功率谱密度的影响。实验结果表明颗粒造成表面产生三种缺陷，三种缺陷使得截面轮廓的峰谷值和表面粗糙度的增大。随着进给量的增大，缺陷对表面粗糙度的影响逐渐减弱。采用功率谱密度对缺陷的截面轮廓进行分析，分析结果表明材料内的颗粒造成的缺陷使得空间频率在中高频的功率谱密度值增大，影响表面生成。通过图像处理对实验显微组织图像结果进行计算统计材料内颗粒的粒径分布，以便后续建立进给量与加工后表面颗粒数量的关系。 其次，通过有限元仿真软件Abaqus建立二维正交切削仿真模型，分析不同直径的颗粒在切削路径上的不同相对位置对表面生成和剪切区以及切屑形态的影响。切削仿真结果表明由颗粒产生的缺陷形式与切削颗粒的相对位置有关，颗粒的直径越大所造成的表面缺陷越明显。由于材料内颗粒的影响会使得切削过程中主剪切区不连续，并造成颗粒位置上方的切屑锯齿化，以及刀具切削至颗粒时造成主切削力的剧烈波动。通过正交切削实验与仿真模拟对比验证，切削实验结果表明铝合金6061已加工表面形貌、切屑上下表面形貌、切屑形态和颗粒对主切削力的影响与多颗粒仿真模型结果具有较好的一致性。微晶铝合金6061的实验结果和纳米级直径多颗粒仿真模型结果具有较好的一致性。通过切削仿真和切削实验获取的切削力以便后续基于颗粒影响的最小切削厚度计算。 最后，本文基于无颗粒仿真模型分析了刀具切削刃半径对最小切削厚度的影响，并通过多颗粒仿真模型分析了颗粒的存在对刀具和工件材料的接触状态的影响，进而对造成最小切削厚度的影响。分析铝合金6061超精密车削表面粗糙度的来源，综合考虑材料颗粒影响下的最小切削厚度和颗粒所导致表面缺陷引入到对表面粗糙度的影响，进而建立新的粗糙度预测模型，并通过实验验证新的粗糙度预测模型。
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