謝朝雨，張旭，程耀天，陳文翔，陳玉鳳

上海工程技術(shù)大學(xué)

1 引言

SiCp/Al復(fù)合材料具有高比強度、良好的導(dǎo)熱性、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的耐磨性等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、光學(xué)元器件和汽車等領(lǐng)域[1，2]。然而，因為SiC顆粒與鋁基體的力學(xué)性能不同，加工過程中的斷裂模式也完全不同，導(dǎo)致工件加工精度低，表面質(zhì)量差，因此限制了其發(fā)展和應(yīng)用。為了提高SiCp/Al復(fù)合材料加工精度，有必要進(jìn)一步研究其切削過程中的材料去除機理及表面質(zhì)量的影響因素。

為深入了解SiCp/Al復(fù)合材料的微觀切削過程，眾多研究者采用有限元技術(shù)模擬該過程并取得了一些成果。Fathipour M.等[3]運用ABAQUS軟件建立了SiCp/Al復(fù)合材料的二維切削模型，發(fā)現(xiàn)切屑呈鋸齒狀，且切削表面上存在孔洞和一些裂紋。王進(jìn)峰等[4]使用ABAQUS有限元軟件從微觀角度對SiCp/Al復(fù)合材料切削過程中刀具和顆粒間的相互作用及切屑形成等方面進(jìn)行了模擬。王陽俊[5]建立SiCp/Al復(fù)合材料的切削仿真模型，研究了加工表面的缺陷形成機理，并通過切削試驗進(jìn)行驗證。

以上研究模型為了簡化仿真過程，沒有考慮鋁基體中SiC顆粒的隨機分布特點，省略了顆粒-基體界面行為的模擬，而且缺乏對已加工表面輪廓幾何特征的定量分析。本文采用有限元方法研究了SiCp/Al復(fù)合材料的切削去除機理以及切削深度和切削速度對其加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。建立的仿真模型綜合考慮了顆粒隨機分布的特點及內(nèi)聚力模型，并通過輪廓算術(shù)平均偏差Ra對加工表面幾何特征進(jìn)行定量分析。

2 SiCp/Al復(fù)合材料二維正交切削仿真模型

為了使切削模型更接近真實的復(fù)合材料加工情況，在ABAQUS軟件中運行Python腳本，使得相同直徑的圓形SiC顆粒在鋁基體中隨機分布。為了提高計算效率，將工件模型下部分劃分為均質(zhì)鋁基體材料，最終建立的顆粒增強復(fù)合材料切削過程的二維正交有限元分析模型見圖1。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料多相混合內(nèi)聚力有限元切削模型

顆粒-基體界面層為零厚度的內(nèi)聚力單元，用于切削過程中傳遞應(yīng)力和模擬顆粒脫粘。切削仿真中采用PCD刀具，并將其設(shè)置為剛體，刀具的前角和后角分別為5°，10°，切削刃半徑為1.5μm。圓形SiC顆粒直徑為10μm，顆粒體積分?jǐn)?shù)約為25%。工件整體尺寸為100μm×50μm。模型的左側(cè)面、底部及右側(cè)下部分受約束固定不動。鋁基體及SiC顆粒的網(wǎng)格類型均為CPE4RT，靠近切削路徑附近的基體及顆粒網(wǎng)格密度最為密集，而遠(yuǎn)離切削路徑的網(wǎng)格密度較小。刀具網(wǎng)格類型為CPE3T，對刀尖處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。工件及刀具網(wǎng)格尺寸最小處均為0.5μm。

3 SiCp/Al復(fù)合材料本構(gòu)模型的建立

3.1 鋁基體本構(gòu)模型

表1為鋁基體、SiC顆粒及PCD刀具的材料參數(shù)[6]。用Johnson-Cook本構(gòu)模型描述鋁基體的動態(tài)力學(xué)性能，其表達(dá)式[7]為

表1 鋁基體、SiC顆粒及PCD刀具的材料參數(shù)

(1)

Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)[6]見表2。

表2 鋁基體的Johnson-Cook參數(shù)

3.2 SiC顆粒本構(gòu)模型

采用脆性開裂模型模擬SiC顆粒在切削過程中的損傷演化過程。SiC顆粒在斷裂前處于彈性狀態(tài)，采用最大正應(yīng)力準(zhǔn)則作為其斷裂開始的判斷準(zhǔn)則[8]，即

max(σ1，σ2，σ3)=σ0

(2)

式中，σ1，σ2，σ3為主應(yīng)力分量；σ0為SiC顆粒的破碎應(yīng)力。

顆粒斷裂后，采用斷裂能準(zhǔn)則描述其失效演化行為，裂紋開裂位移un0可表示為

(3)

剪應(yīng)力保留模型可以用于描述因剪切應(yīng)力引起的裂紋擴展，SiC顆粒在失效演化階段的剪切模量Gs計算公式可表示為

(4)

式中，G為剪切模量；為材料的剪切保留因子。

(5)

SiC材料脆性斷裂所需要的相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 SiC顆粒的脆性斷裂參數(shù)

3.3 內(nèi)聚力單元本構(gòu)模型

零厚度內(nèi)聚力模型的裂紋起始損傷用最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則判斷，計算公式為[9]

(6)

式中，σn，σs分別為法向應(yīng)力值和切向應(yīng)力值；分別為最大名義法向應(yīng)力值及切向應(yīng)力值。

當(dāng)界面層出現(xiàn)損傷后，通過剛度衰減系數(shù)D描述其后續(xù)退變過程，即

(7)

衰減系數(shù)D的計算公式為[10]

(8)

內(nèi)聚力層的開裂過程可以由界面層強度σmax和界面斷裂能GC的材料參數(shù)確定。界面斷裂能和界面層開裂位移的計算公式為

(9)

4 SiCp/Al復(fù)合材料的切削機理

圖2為切削仿真過程中發(fā)現(xiàn)的SiC顆粒的三種去除方式。如圖2a所示，當(dāng)?shù)毒咔邢黝w粒上方時，鋁基體由于塑形變形而被拱起，顆粒由刀尖處產(chǎn)生裂紋并隨著刀具運動裂紋不斷擴展，最終顆粒上部被去除。當(dāng)?shù)毒咔邢黝w粒中部時，顆粒同樣產(chǎn)生脆性裂紋，但是裂紋擴展范圍更大，顆粒去除面積也更大(見圖2b)。當(dāng)?shù)毒咔邢黝w粒下部時，顆粒去除方式完全不同，由于刀具的推擠作用，內(nèi)聚力單元失效，脫粘的顆粒整體連帶一部分基體材料從基體上分離，在加工表面上留下半圓形洼坑(見圖2c)。

由此可見，SiC顆粒與切削路徑的相對位置對顆粒的去除機理有很大影響。在SiCp/Al復(fù)合材料切削過程中，主要存在鋁基體塑形變形、顆粒破碎及顆粒脫粘等失效形式。由于材料的差異性，鋁基體主要發(fā)生塑形變形，而SiC顆粒主要以脆性開裂及脫粘的形式而失效。

(a)刀具切削顆粒上部

5 切削深度對SiCp/Al復(fù)合材料缺陷形成及切削力的影響

5.1 切削深度對切屑形態(tài)及表面缺陷的影響

采用單因素法研究不同切削深度對SiCp/Al切屑形態(tài)及表面缺陷形成的影響，當(dāng)切削深度的取值為2μm，4μm，6μm，8μm，10μm，切削速度均為500mm/s，取前4種切削深度作對比分析，切削仿真結(jié)果見圖3。

當(dāng)切削深度值為2μm時，刀具對復(fù)合材料的去除量小，在切削過程中產(chǎn)生細(xì)小且成條狀的切屑。同時，顆粒在刀具作用下出現(xiàn)裂紋并從切削表面延伸至亞表面(見圖3a)；當(dāng)切削深度值為4μm時，切屑尺寸增加且成“鋸齒狀”，顆粒的去除面積及破碎的顆粒數(shù)量增加(見圖3b)；當(dāng)切削深度增加至6μm時，可以看到切屑尺寸明顯增加，顆粒破碎程度加劇，對已加工表面質(zhì)量造成了不良影響(見圖3c)；當(dāng)切削深度增加至8μm時，如圖3d所示，顆粒的去除面積進(jìn)一步增加，切削表面留下凹坑缺陷，表面質(zhì)量逐漸惡化。

5.2 切削深度對切削力的影響

分別取切削深度為2μm，4μm及6μm時的主切削力進(jìn)行對比分析(見圖4a)。可知，當(dāng)切削深度增加時，刀具與顆粒相互作用的次數(shù)增加，導(dǎo)致主切削力上下波動程度增加，切削力峰值相應(yīng)增加。圖4b為5次不同切削深度下平均主切削力的數(shù)值變化情況，可見，平均主切削力隨切削深度增加而增大。這是由于增加切削深度時，單位時間內(nèi)SiCp/Al復(fù)合材料的去除量增加，被去除材料對刀具沿切削方向上的作用力增大，最終導(dǎo)致平均主切削力增大。

(a)2μm

(a)主切削力變化

6 切削速度對SiCp/Al復(fù)合材料切削表面質(zhì)量的影響

采用單因素法研究切削速度對切削表面質(zhì)量的影響。切削速度取值為500mm/s，1000mm/s，1500mm/s，2000mm/s，切削深度均為5μm，其他參數(shù)不變。圖5為切削速度分別為500mm/s和1000mm/s時的切削仿真過程。

(a)Vc=500mm/s

當(dāng)切削速度為500mm/s時，靠近刀尖的顆粒從基體中脫粘，在加工表面上留下大的凹坑，而且其他顆粒裂紋擴展范圍及深度都較大；當(dāng)切削速度增加至1000mm/s時，靠近刀尖的顆粒不再出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，顆粒表面僅有一些深度較淺的裂紋，同時，其他顆粒的缺陷深度也減小，加工表面質(zhì)量得到改善。原因是增大切削速度時，顆粒在較強的刀具作用下更容易破碎，同時切削時間也相應(yīng)縮短，使得裂紋沒有足夠時間擴展，因此缺陷深度減小。

為了更加合理地評價已加工表面質(zhì)量，現(xiàn)提取4種不同切削速度下已加工表面的輪廓高度值進(jìn)行對比分析(見圖6)?？芍邢魉俣仍龃髸r，加工表面的凹坑缺陷逐漸由眾多細(xì)小的裂紋替代，表面質(zhì)量也逐漸改善。

(a)500mm/s

圖7為上述4種仿真表面的輪廓算術(shù)平均偏差Ra，隨著切削速度的增大，Ra值逐漸減小，說明增大切削速度有利于改善SiCp/Al復(fù)合材料的切削表面質(zhì)量。

圖7 不同切削速度時切削仿真表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra

7 結(jié)語

基于有限元法建立SiCp/Al復(fù)合材料的多相混合內(nèi)聚力切削仿真模型，對其切削機理以及切削深度和切削速度對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，鋁基體塑形變形、SiC顆粒破碎、顆粒脫粘及界面損傷是主要的失效形式，且顆粒與切削路徑的相對位置對顆粒的去除方式有很大影響。增加切削深度時，顆粒破碎程度加劇，切屑尺寸也隨之增加，主切削力波動程度及其平均值增加。此外，增大切削速度能夠降低SiCp/Al復(fù)合材料的切削表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra，從而改善表面質(zhì)量。