SiCp/Al復(fù)合材料的車削仿真研究

孔林雁， 吳建民

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

鋁基碳化硅復(fù)合材料不僅具有較高的強度、硬度和比較好的耐腐蝕性、耐疲勞性等物理特點，還具有尺寸穩(wěn)定性良好的優(yōu)點，已經(jīng)在航空航天、軍事和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。由于鋁基碳化硅材料的特殊性質(zhì)，其加工性受到了很多學(xué)者的關(guān)注。楊帆等[2]討論了斜角切削SiCp/Al復(fù)合材料的模擬仿真過程，孫素杰等[3]使用ABAQUS/Explicit的分析方法，對高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行建模和二維正交微細(xì)切削，研究了在不同刀具前角和切削厚度下，材料的變形、切屑的形成機理以及切削力的變化規(guī)律。洪蘭東等[4]利用ABAQUS軟件，進(jìn)行仿真研究SiCp/Al復(fù)合材料薄壁件車削加工變形。夏曉東等[5]使用 ABAQUS 有限元分析軟件，建立三維仿真模型來動態(tài)模擬車削過程，分析了顆粒在刀具作用下破碎的過程，研究了加工表面質(zhì)量的影響因素；在不同切削深度下，分析了刀具相對于顆粒的位置變化對已加工表面質(zhì)量的影響。王進(jìn)峰等[6]對SiCp/Al復(fù)合材料使用有限元仿真與車削加工實驗相結(jié)合的方法，研究了在不同切削參數(shù)下切削力的變化規(guī)律；然后將有限元仿真的結(jié)果和車削實驗的結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了有限元分析方法的有效性和準(zhǔn)確性。切削加工過程的有限元分析是計算機仿真技術(shù)在機械制造業(yè)的重要應(yīng)用，通過各種仿真軟件建立合適準(zhǔn)確的有限元模型，可以方便快速地模擬切削過程切屑的形成機理，分析各種材料應(yīng)力、應(yīng)變場的變化規(guī)律；建立切削力的經(jīng)驗公式，了解切削溫度的分布狀態(tài)等，特別是一些在實際工業(yè)生產(chǎn)中難以加工且加工成本較高的復(fù)合材料；使用這種技術(shù)對減少成本、縮短產(chǎn)品制造周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量意義重大[7-9]。課題組基于ABAQUS軟件，設(shè)計了SiCp/Al復(fù)合材料二維切削仿真模型，探究在不同切削參數(shù)下，鋁基碳化硅復(fù)合材料切削力的變化規(guī)律。

1 建立仿真模型

課題組利用ABAQUS軟件建立刀具模型、Al基體和SiC顆粒部件模型，如圖1所示。圖中PP-1為刀具的剛體參考點，工件為長1.0 mm，寬0.5 mm的矩形，其中SiC顆粒半徑為20.0 μm，其體積分?jǐn)?shù)大約為整個工件的56%。

圖1 工件和刀具模型Figure 1 Workpiece and tool model

切削過程在有限元分析中是一個動態(tài)、非線性并且存在熱力耦合的復(fù)雜過程，像沖擊和爆炸等短暫、瞬態(tài)問題，利用ABAQUS/Explicit求解器解決是非常合適的；同時它對高度非線性問題的求解也是很高效的。因此本模型可以設(shè)置ABAQUS/Explicit動態(tài)-顯式溫度位移耦合分析步[10]。

在模型中將SiC顆粒周圍的基體材料網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化(如圖2所示)，方便研究在切削過程中SiC顆粒與Al基體之間應(yīng)力分布的情況。對基體和顆粒分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，二者網(wǎng)格單元類型選擇CPE4RT。將刀具設(shè)置為剛體，即在整個仿真過程中刀具不發(fā)生變形。設(shè)置刀具的最小網(wǎng)格尺寸應(yīng)該大于工件的最大網(wǎng)格尺寸，保證模型網(wǎng)格尺寸平均小于顆粒網(wǎng)格尺寸，這樣可以保障仿真的精度以及合理性[11]。

SiC顆粒與Al基體材料之間采用Tie綁定約束，設(shè)置刀具與工件之間的接觸為面-面接觸。其中，主面為刀具的表面，從面為工件的結(jié)點。刀具與工件之間存在切向摩擦和法向摩擦，通常將切向摩擦定義為“罰”摩擦，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2；而法向摩擦稱為“硬”摩擦，用來避免仿真過程中出現(xiàn)刀具與工件穿透現(xiàn)象。在金屬切削的過程中，由于刀具的硬度、強度遠(yuǎn)高于工件，常常對刀具設(shè)置剛體，用來提高仿真的效率[12]121-123。對工件下邊單元集和左邊單元集進(jìn)行約束。將工件固定，給刀具設(shè)置一個向左切削速度，模擬刀具由右向左切削工件如圖2所示。

圖2 設(shè)置接觸和載荷Figure 2 Setting contact and load

在Property模塊中輸入相應(yīng)的材料參數(shù)，如表1所示[13]。工件材料是SiCp/Al 復(fù)合材料，根據(jù)材料力學(xué)可知，Al基體是一種熱彈塑性材料，而增強相成分SiC顆?？梢钥醋饕环N線彈性材料，分別輸入材料參數(shù)可以更加準(zhǔn)確地模擬切削過程。

表1 切削仿真中所用材料的參數(shù)

2 材料本構(gòu)模型和斷裂準(zhǔn)則

Al是一種熱塑性材料，在切削過程中，工件材料常常處在高溫、大變形和大應(yīng)變率的情況下發(fā)生彈塑型應(yīng)變，考慮各種因素(如應(yīng)變、應(yīng)變率和熱軟化)對材料硬化應(yīng)力的影響，故可以采用Johnson-Cook本構(gòu)方程進(jìn)行描述[12]80，其具體形式：

(1)

Al合金基體的Johnson-Cook參數(shù)如下表2所示[14]。

表2 Al合金基體的Johnson-Cook參數(shù)

為描述鋁合金基體材料的切屑分離過程，將采用Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則，在刀具幾何角度變化的情況下，Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則能夠非常穩(wěn)定地描述金屬材料的斷裂、分離和失效過程[15]。SiC顆粒材料可看作線彈性材料，遵循廣義胡克定律。鋁合金基體材料的失效演化起始可以用標(biāo)量D來衡量，當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變?yōu)?時，材料開始出現(xiàn)失效現(xiàn)象。D的表達(dá)式為

(2)

(3)

式中：d1～d5為材料失效參數(shù)，其值如表3所示[16]。

表3 Al合金基體的Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則失效參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

保證其他條件一致，分別改變切削速度與刀尖圓弧半徑2個加工參數(shù)，分析仿真加工過程中，切削力的變化情況。切屑的形狀在整個切削過程中發(fā)生變化，如圖3所示。

圖3 切削仿真過程Figure 3 Cutting simulation process

分析切削過程4個時刻的切屑以及內(nèi)部應(yīng)力的變化過程，可知：①在Ⅰ時刻，刀具切削刃切入Al基體，工件中基體材料會受到刀具前面的擠壓和切削發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)剪切帶；②在Ⅱ時刻，SiC顆粒與Al基體之間的基體面形成剪切滑移面，隨著刀具的進(jìn)給，含有SiC顆粒的切屑從工件上分離出來；③在Ⅲ時刻，工件上出現(xiàn)了明顯的切屑，并且一部分SiC顆粒會聚集在刀具的前面；④在Ⅳ時刻，SiC顆粒與刀具直接接觸，使其周圍的Al基體材料從整個工件分離出來，產(chǎn)生了一定的孔隙，最終形成了鋸齒狀的切屑，從工件上脫落。在整個切削過程中，顆粒隨著刀具的進(jìn)給運動而不斷變化位置，當(dāng)顆粒與刀具接觸時，由于顆粒具有較大的剛性，顆粒將會受到擠壓，從圖3(c)和(d)時刻可以看到顆粒被壓入基體，導(dǎo)致已加工表面出現(xiàn)缺陷；刀具繼續(xù)運動，當(dāng)達(dá)到顆粒的最大應(yīng)力值時，顆粒破碎，與刀具共同作用，將工件已加工表面磨損。

3.1 不同刀尖圓弧半徑對切屑以及切削力的影響

在切削深度為0.1 mm，切削速度84 m/min下，通過改變刀具的刀尖圓弧半徑，分析該刀具參數(shù)對切削力的影響。刀具的幾何參數(shù)如表4所示。

表4 切削仿真中刀具的幾何參數(shù)

如圖4所示，其他條件不變時，切削力會隨著刀尖圓弧半徑的增大而增大，當(dāng)增大刀尖圓弧半徑時，刀具前面對于工件材料的擠壓作用增強，從而增大了切削力。切削鋁基碳化硅復(fù)合材料應(yīng)該使用適當(dāng)?shù)牡毒?，可以保證切削的順利進(jìn)行，從而獲得質(zhì)量更好的產(chǎn)品。

圖4 切削力隨著刀尖圓弧半徑的變化Figure 4 Change of cutting force with tool tip radius

3.2 不同切削速度對于切削力的影響

在刀具幾何參數(shù)不變的條件下，即刀具前角0°，刀具后角5°，刀尖圓弧半徑10 μm時，根據(jù)表5的切削用量進(jìn)行仿真，可以得到如圖5～7所示主切削力的變化規(guī)律。

表5 切削仿真中使用的切削參數(shù)

圖5 切削速度為65 m·min-1時主切削力變化情況Figure 5 Variation of cutting speed and main cutting force in 65 m·min-1

圖6 切削速度為84 m·min-1時主切削力變化情況Figure 6 Variation of cutting speed and main cutting force in 84 m·min-1

圖7 切削速度為100 m·min-1時主切削力變化情況Figure 7 Variation of cutting speed and main cutting force in 100 m·min-1

從圖5～7可以看出：主切削力隨著切削速度的增加，其波動更加明顯，而且波動的頻率增加，即波動的周期減小。在整個切削過程中，刀具會先后與Al基體、SiC顆粒接觸。由前述可知SiC顆粒是一種線彈性材料，當(dāng)切削速度較低時，刀具與SiC顆粒接觸會產(chǎn)生較小的動能，隨著切削速度的增加，刀具對SiC顆粒會有很大的沖擊碰撞；同時，當(dāng)其他條件不變的情況下，增加切削速度時，會快速產(chǎn)生切屑，刀具與SiC顆粒接觸頻繁，因此會出現(xiàn)切削力的波動頻率增加。在切削過程中，鋁基碳化硅增強復(fù)合材料的切屑很短，隨著切削速度的增加，且切屑會變得更短，因此，當(dāng)切屑從工件分離出來的時候，其與刀具的壓力就會變小，從而與刀具的摩擦力減小，因此，當(dāng)增加切削速度時，切削力會減小。

4 結(jié)論

課題組采用有限元仿真有效地模擬了SiCp/Al復(fù)合材料的切削過程，仿真結(jié)果表明：切削力隨著刀尖圓弧半徑的增大而增大，隨著切削速度的增大而波動明顯；加工表面質(zhì)量主要受顆粒的壓入、破碎等因素影響。

本研究中還存在以下局限：①模型中只設(shè)置顆粒與基體綁定，未考慮顆粒與鋁基體材料內(nèi)聚界面之間的增強因素，仿真結(jié)果與實際車削結(jié)果存在偏差；②模型中設(shè)置增強相為均勻分布的圓形規(guī)則顆粒，與實際材料中的顆粒情況有出入。因此，今后需要進(jìn)一步完善模型，建立更符合實際的仿真模型來分析顆粒增強型金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能。