李磊

（鄭州旅游職業(yè)學院 機電工程學院，鄭州 450000）

1 概述

金屬基復合材料的應用廣，其力學特性好，膨脹系數(shù)低[1]。顆粒增強金屬基復合材料加工難度大，并且隨著增強相的體積分數(shù)和顆粒尺寸的增大，它的加工難度隨之增加，傳統(tǒng)切削加工會導致劇烈的刀具磨損，甚至影響加工質(zhì)量，以及由此帶來的高加工成本[2]。而特種加工技術(shù)則具有明顯優(yōu)勢[3]。

2 精密切削技術(shù)研究

盛精[4]等通過仿真建模，得出生產(chǎn)加工進行切削要求設備精度比較高，成本高的特點。通過計算機仿真分析，可以對切削過程進行精準分析，節(jié)約了成本，又加快了科研進程。

2.1 力學分析

Pramanik[5]等建立了力學模型，研究切削過程中的切削力的影響因素及走勢。Dabade[6]等基于摩擦力學，研究刀具、切屑摩擦力，預測切削力的特點及走勢。王業(yè)甫[7]等建立超精密切削力學有限元仿真模型，發(fā)現(xiàn)刀具磨損加劇的主要原因之一是SiC 顆粒硬度和切削應力都過大導致。切削速度對刀具的磨損影響大。平均主切削力跟隨刀具切削速度變大而變大，刀具前角基本無變化，如圖1、圖2 所示?？琢盅鉡8]等發(fā)現(xiàn)切削力隨著刀尖圓弧半徑的減小而減小，切削速度變大后切削力開始變化明顯。正確選擇刀具，可以保證切削的順利進行，從而獲得質(zhì)量更好的產(chǎn)品。如圖3 所示。

圖3 刀尖圓弧半徑影響切削力的曲線

2.2 表面質(zhì)量控制

張德光[9]等認為SiCp/Al 復合材料在切削加工過程中，材料加工表面質(zhì)量的最主要影響因素是切削參數(shù)和加工刀具，其次是顆粒特征及其分布。因此，優(yōu)化切削參數(shù)和選擇確定刀具是解決加工表面質(zhì)量問題的重要內(nèi)容。Dabade[10]等比較了不同體積分數(shù)SiCp/Al 材料的切削表面，得出了較低體積分數(shù)的材料表面存在著較少的凹坑和裂紋等表面質(zhì)量缺陷。反之，表面質(zhì)量缺陷明顯的結(jié)論。葛英飛[11]等人研究顆粒增強型復合材料，?=35%，切屑的鋸齒形狀比較明顯。同時，增強顆粒占比越少，加工過程產(chǎn)生的微裂紋和孔洞越少。反之，孔洞越多，材料變形明顯，剪切角波動變化明顯。經(jīng)過熱處理，材料硬度變大，整體變形不均勻性變化明顯，切屑的鋸齒形狀更趨明顯。崔巖[12]等調(diào)整機床切削參數(shù)，研究加工過程的速度對表面質(zhì)量的影響控制。對刀具進給速度、機床主軸轉(zhuǎn)速進行對比發(fā)現(xiàn)，刀具進給速度變化時，工件表面質(zhì)量影響大。機床主軸轉(zhuǎn)速的影響未呈現(xiàn)，如圖4 所示。

圖4 ?=35%，S=7μm ?=20%，熱處理

2.3 刀具磨損

葛英飛[13]等認為在切削SiCp/Al 復合材料過程中，SCD 刀具和工件振動比較嚴重，且SiC 增強顆粒對切削刃或前刀面具有頻繁的強力沖擊作用，刀具因此承受的沖擊應力較大。在上述因素作用下，當?shù)毒呷锌诰植繀^(qū)域應力達到其脆性解理強度時，就會發(fā)生微小的脆性剝落或崩刃。即SCD 刀具脆性崩刃、剝落情況較嚴重。PCD刀具后刀面、前刀面和刃口部位都會發(fā)生明顯的磨損。增強顆粒在切削過程中對刀具進行不斷地刻劃和微切削，這使得金剛石和結(jié)合劑之間的結(jié)合遭到了破壞，使金剛石顆粒從刀具材料中脫落。進而得出了刀具的前刀面和后刀面分別呈現(xiàn)不同磨損的結(jié)論，如圖5 所示。王明海[14]等做了45%SiCp/Al 復合材料車削過程的刀具磨損和刀具的使用壽命分析，隨著切削進行，PCD 刀具的前刀面磨損加大，磨損形式呈現(xiàn)出磨粒磨損、晶粒脫落。后刀面磨損形式為磨粒磨損。段春爭[15]等做了不同鋁基體SiCp/Al 復合材料切削力與刀具的磨損研究，對比切削 SiCp/6063Al 和 SiCp/2024Al 材 料 發(fā) 現(xiàn)， 切 削SiCp/6063Al 時刀具前刀面粘結(jié)磨損加劇而顆粒磨損減少，刀具后刀面磨損程度相對較高，如圖6 所示。

圖5 SCD 刀具、PCD 刀具切削

圖6 SiCp/2024Al 刀具前刀面 SiCp/6063Al 刀具前、后刀面磨損 v=80m/min

3 填充精密切削材料的活塞應用

根據(jù)以上精密切削特點，設計一種超精密切削的復合材料汽車用活塞，發(fā)動機活塞工作條件要求高。為提高活塞的強度、硬度等力學性能，采用加入SiC 顆粒的復合材料進行試驗研究，但這樣將會增加加工難度。為此，我們建立活塞的微觀組織多尺度切削仿真模型，如圖7所示，進行仿真模擬分析運算，分析活塞的各個工況，得出其溫度和應力分布的結(jié)論符合理論形態(tài)。實驗實現(xiàn)了建模、加載和求解分析的全過程，提取出應力應變最大節(jié)點。并在此基礎上優(yōu)化調(diào)整了活塞體的生產(chǎn)加工工藝和結(jié)構(gòu)設計，驗證了以上理論研究。

圖7 活塞的ABAQUS 有限元分析

4 結(jié)論

SiCp/Al 復合材料應用越來越廣泛，切削加工作為其機械加工的主要方法，高效精密切削加工技術(shù)仍然是SiCp/Al 金屬基復合材料結(jié)構(gòu)件的重要方法和重要研究課題。如通過正確合理地選擇加工參數(shù)和刀具，降低表面粗糙度，實現(xiàn)高質(zhì)量表面控制，提高切削加工質(zhì)量。

今后研究仍需進一步完善模型，建立更優(yōu)化的仿真模型研究分析SiCp/Al 金屬基復合材料的切削加工工藝。進行機理研究，完善理論研究基礎，為生產(chǎn)提供工藝參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)和借鑒，促進PRMMCs 機械加工技術(shù)的進步。此外，相關成果與技術(shù)也可以推廣到到其它類型金屬基復合材料生產(chǎn)加工，促進復合材料機械加工行業(yè)和技術(shù)發(fā)展和有效實施。