基于AdvantEdge的石墨烯/Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料切削力研究

劉伯濤，水 麗，張 凱

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159）

引言

隨著軍工制造、航空航天、汽車電子等領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊笤絹碓礁?，鋁基復(fù)合材料以其低密度、低膨脹、耐磨損、導(dǎo)熱性好及復(fù)合材料制備工藝靈活等優(yōu)異的綜合性能，獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。石墨烯Graphene Nanoflakes（GNFs）是碳原子以sp2雜化鏈接的六角形蜂巢狀結(jié)構(gòu)的二維材料，因此具有高強(qiáng)度、高硬度及導(dǎo)熱率高等優(yōu)點(diǎn)，將其與鋁合金結(jié)合制備鋁基復(fù)合材料 Aluminum Matrix Composites（AMCs），研究發(fā)現(xiàn)石墨烯鋁基復(fù)合材料在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)也兼有良好的塑韌性[3]。文獻(xiàn)報(bào)道的石墨烯復(fù)合材料的研究主要集中在聚合物基體上，而金屬基的研究并不多，尤其是石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料才剛剛起步。因此石墨烯增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料具有廣闊的發(fā)展前景，亟需開展下一步的研究工作。

復(fù)合材料的銑削包含復(fù)雜的熱、力、機(jī)械及其耦合現(xiàn)象，是一個(gè)復(fù)雜的高度非線性問題。單純的依靠實(shí)驗(yàn)手段，不但耗時(shí)費(fèi)力，而且加工過程中的溫度、切削力、應(yīng)變等也難以準(zhǔn)確獲得[4]。基于有限元理論Finite Element Method（FEM），運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)可再現(xiàn)刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過程，克服實(shí)驗(yàn)中間過程的缺陷，成為研究復(fù)合材料銑削加工的有效方法[5]。吳文政[6]利用有限元軟件Abaqus對(duì)石墨烯/Al基復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)仿真。研究發(fā)現(xiàn)，隨著石墨烯含量的增加，增強(qiáng)體應(yīng)力略有增強(qiáng)，而基體應(yīng)力逐漸減小。Z.Yang[7]采用彈-剛性耦合有限元模擬高速切削過程。李寶棟[8]使用AdvantEdge模擬鈦合金切削，建立的主切削力二次響應(yīng)回歸數(shù)學(xué)模型擬合效果顯著，且計(jì)算結(jié)果與車削實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于14%。

本文采用AdvantEdge有限元軟件，對(duì)石墨烯/Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料進(jìn)行仿真計(jì)算。試驗(yàn)首先利用粉末冶金法，經(jīng)過熱壓燒結(jié)制備石墨烯增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料。然后分別對(duì)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%、0.5%的Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料進(jìn)行不同切削用量下的單因素實(shí)驗(yàn)。最后結(jié)合銑削實(shí)驗(yàn)與有限元仿真模擬，分析切削用量與切削力之間的關(guān)系，并探討石墨烯含量對(duì)切削力幅值波動(dòng)的影響，這對(duì)后續(xù)研究和實(shí)際生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

1 試樣制備

為探究石墨烯及其切削參數(shù)對(duì)石墨烯增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料銑削力的影響，設(shè)計(jì)石墨烯含量不同的兩組樣品，試驗(yàn)所用少層石墨烯厚度為2.5 nm，石墨烯的碳原子層數(shù)約為10。材料成分如表1所示。

表1 GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料化學(xué)成分表%

采用球磨混料法，將表1所示成分裝入混料罐中，加入球料質(zhì)量比為8∶1的氧化鋯陶瓷球，固定在WAB公司生產(chǎn)的Turbula混合機(jī)上混料，間歇球磨分散時(shí)間為72 h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為40 r/min。粉末經(jīng)充分混勻后，放入真空熱壓鉬絲爐（ZR-6-8Y）中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為570℃，燒結(jié)時(shí)間1.8 h，隨后水循環(huán)冷卻至爐溫低于200℃后，隨爐冷卻。兩組樣品經(jīng)T4（固溶+時(shí)效）熱處理后，便獲得石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、0.25%的兩組樣品。

2 切削實(shí)驗(yàn)與有限元仿真

2.1 切削試驗(yàn)

銑削試驗(yàn)在DX-600型立式銑床上進(jìn)行，刀具采用YG6X硬質(zhì)合金立銑刀，銑刀齒數(shù)為4，刀具直徑為8 mm，刀具前角γ為-15°，刀具后角α為15°，刃部長(zhǎng)度為20 mm，螺旋角為35°。將工件固定在Kistler9275B三向切削力測(cè)力儀上，經(jīng)YE5850型電荷放大器和INV3018型數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

為研究石墨烯含量和切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，本文選定切削速度、切削深度和石墨烯含量三個(gè)變量因素，每次實(shí)驗(yàn)選取兩個(gè)水平變量，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 銑削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.2 有限元仿真

2.2.1 材料的本構(gòu)模型

材料的本構(gòu)模型通常用溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率之間的函數(shù)表示，目前常用的描述材料熱-彈塑性關(guān)系的模型主要有：Johnson-Cook模型、power-law模型、Litonski-Batra模型和Bodner-Parton模型。與其他幾種模型相比，Johnson-Cook模型綜合考慮了熱軟化、應(yīng)變及應(yīng)變率等因素，適應(yīng)于不同的材料，涉及的參數(shù)少且易于通過實(shí)驗(yàn)和查表獲得[9]。本文使用Advantage軟件仿真時(shí)即采用此模型，數(shù)學(xué)表達(dá)式為[10]：

表3 Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)值

2.2.2 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算非常關(guān)鍵的一步，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞，會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[11]。因此為得到最優(yōu)化網(wǎng)格，采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)，劃分工件參數(shù)為：最大網(wǎng)格單元尺寸1.2 mm，最小網(wǎng)格單元尺寸0.15 mm，網(wǎng)格劃分等級(jí)G取0.53，G值決定了靠近切削刃處網(wǎng)格由粗到細(xì)轉(zhuǎn)換的快慢過程。本文建立的銑刀模型按實(shí)際銑刀建立，劃分刀具網(wǎng)格控制參數(shù)為：最大刀具網(wǎng)格單元尺寸為0.3 mm，最小刀具網(wǎng)格單元尺寸為0.03 mm，網(wǎng)格劃分等級(jí)G同樣取0.53。

2.2.3 材料屬性

GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg中的石墨烯納米片厚度為2.5 nm，且復(fù)合材料經(jīng)過球磨分散、燒結(jié)工藝后，石墨烯會(huì)均勻地分布在鋁基體內(nèi)?？梢詫⑵湟暈楹暧^上的均質(zhì)材料，為下一步的銑削仿真奠定基礎(chǔ)。GNFs/Al-15Si基復(fù)合材料的相應(yīng)的物理參數(shù)見表4。

表4 GNFs/Al-15Si復(fù)合材料物理屬性

3 結(jié)果分析

3.1 銑削過程仿真分析

以石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，切削速度Vc為25 m/min，進(jìn)給速度Vf為150 mm/min，切削深度選ap以1 mm為例，在AdvantEdge中建立銑削三維模型。下頁圖1-1、1-2展現(xiàn)出刀具和工件在不同階段的應(yīng)力云圖，圖1-3是工件去掉網(wǎng)格的應(yīng)力云圖。

從圖1-1、1-2可以看出銑刀切入工件，銑刀前刀面與工件相互作用形成切削的分離過程。當(dāng)銑刀的切削刃接觸到工件時(shí)，被切削材料受到較大應(yīng)力引起塑形變形，銑刀的前刀面與發(fā)生塑形變形的材料相互擠壓，銑刀刀刃附近的最大應(yīng)力達(dá)到1 085 MPa左右，而工件受到剪切應(yīng)力和沖擊載荷，最大應(yīng)力幅值達(dá)到 750MPa左右，超過GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料剪切應(yīng)力臨界值，導(dǎo)致材料分離、斷裂，形成切屑。下頁圖1-3是切削過程中工件上的應(yīng)力云圖，隨著切削過程的進(jìn)行，最大等效應(yīng)力在切削刃處向四周擴(kuò)散，面積逐漸擴(kuò)大，當(dāng)突破剪切帶后，切削刃處的等效應(yīng)力反而減小，這是由于隨著材料進(jìn)一步變形出現(xiàn)了熱軟化現(xiàn)象，工件材料承受的應(yīng)力減小。

3.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，Vc為25 m/min，Vf為150mm/min，ap為 1mm條件下，GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)和仿真的主切削力結(jié)果如下頁圖2所示。通過計(jì)算模擬值與實(shí)驗(yàn)值的平均誤差為12.4%、最大誤差25.3%，仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線雖然有一定的差值，但是總體上變化趨勢(shì)趨于一致，說明有限元仿真結(jié)果可為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考依據(jù)。

圖1 0.25%GNFs/Al-15Si復(fù)合材料切削過程

圖2 切削力時(shí)域曲線

3.2.2 切削深度對(duì)切削力的影響

選取切削速度Vc為25 m/min，進(jìn)給速度Vf為150 mm/min，切削深度選0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm時(shí)，兩種GNFs/Al-15Si-4u-Mg復(fù)合材料的主切削力隨切削深度的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 不同石墨烯含量下切削力隨切削深度變化曲線

從仿真切削力曲線與實(shí)驗(yàn)切削力曲線對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，切削深度對(duì)切削力有顯著影響。雖然這兩種切削力的測(cè)試方法存在著誤差，但是兩者的切削力曲線存在相似的變化趨勢(shì)，即隨著切削深度的增加，切削力呈遞增的趨勢(shì)。這是因?yàn)榍邢魃疃仍龃?，刀具?huì)在單位時(shí)間內(nèi)承受更大面積材料的阻礙，從而使克服材料塑性變形的力增大，同時(shí)切屑與前刀面的接觸面積也會(huì)隨之增大，摩擦力增大，這兩個(gè)因素綜合在一起使銑削力增大。

3.2.3 切削速度對(duì)切削力的影響

以切削深度ap為1 mm，進(jìn)給速度Vf為150mm/min，切削速度Vc為 25 m/min、40 m/min、60 m/min時(shí)，兩種GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料的主切削力隨切削速度的變化曲線如下頁圖4所示。

從圖中可以看出，主切削力Fx隨著切削速度Vc的遞增出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)切削速度增加時(shí)，切削區(qū)溫度升高，容易造成材料熱軟化，降低了切屑形成的阻力和硬質(zhì)相對(duì)基體材料的耕犁作用力，同時(shí)也降低了硬質(zhì)相的位移阻力，材料更容易去除，從而減小切削力。此外，由于切削速度相對(duì)偏低，切削區(qū)溫度不高，增加的溫度不足以使基體材料產(chǎn)生明顯的熱軟化，所以造成主切削力對(duì)切削速度的變化不敏感。

3.3 石墨烯含量對(duì)主切削力的影響

當(dāng)切削速度Vc=25 m/min，切削深度ap=0.5 mm，進(jìn)給速度Vf=150 mm/min時(shí)，石墨烯含量為0.25%和0.5%的主切削力的正態(tài)分布圖，如圖5所示。

圖4 不同石墨烯含量下切削力隨切削速度變化曲線圖

圖5 主切削力正態(tài)分布圖

通過正態(tài)分布圖定量計(jì)算這兩種材料主切削力的期望u和標(biāo)準(zhǔn)差σ如表5所示。

表5 期望u和標(biāo)準(zhǔn)差σ值

由表5可知，在相同的切削條件下，u1＞u2據(jù)此可以判斷，石墨烯的含量與石墨烯增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料的銑削力有關(guān)，提高石墨烯的添加量有利于提高復(fù)合材料的硬度，材料的硬度越高銑削力就越大；但是u1＜u2，相比較而言，0.5%GNFs/Al-15Si復(fù)合材料的切削力波動(dòng)小，切削過程較為平緩，說明增加石墨烯的含量可以降低切削力的波動(dòng)性。

分析認(rèn)為，產(chǎn)生波動(dòng)的原因是由于復(fù)合材料的微觀組織中硅顆粒、金屬間化合物等硬質(zhì)相的存在造成，當(dāng)?shù)度星邢鞯捷^硬組織時(shí)，切削力會(huì)出現(xiàn)不同程度的跳動(dòng)，造成力的波動(dòng)。石墨烯的添加細(xì)化了組織和晶粒，降低了刀具對(duì)金屬間化合物和硬質(zhì)顆粒的沖擊作用，使得切削過程變得平穩(wěn)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.25%、0.5%時(shí)，GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料在不同切削用量下的單因素實(shí)驗(yàn)，分析出如下結(jié)論：

1）通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬的切削力進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料的三維有限元仿真的適用性。研究發(fā)現(xiàn)兩組樣品隨著切削深度的增加，主切削力增大；隨著切削速度的增加，銑削力減小。相比切削速度，切削深度對(duì)Fx影響最為敏感。

2）石墨烯的添加增大了切削力，但是減小切削過程中切削力的波動(dòng)，降低刀具振動(dòng)。這是由于石墨烯的添加細(xì)化了組織和晶粒，使得界面結(jié)合力增強(qiáng)，改善切削平穩(wěn)性。