Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料切削力仿真實驗研究

于 宏，劉伯濤

(沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110159)

石墨烯(Graphene，簡稱Gr)是由排列整齊的sp2雜化的碳原子構(gòu)成的蜂窩型二維平面結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和機械特性。鋁基復(fù)合材料作為一種常見的金屬基復(fù)合材料，具有低密度、低膨脹、耐磨損、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、制備工藝成本較低等優(yōu)點[1-2]。將Gr作為增強相添加到鋁及鋁硅合金粉末中制備Gr增強鋁硅基復(fù)合材料，具有很好的塑韌性和很高的強度[3]，有廣闊的應(yīng)用前景，常用于高溫環(huán)境下服役的精密儀器及航空設(shè)備的結(jié)構(gòu)部件。文獻報道的Gr增強復(fù)合材料研究主要集中在Gr增強聚合物基和Gr增強金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、抗磨損及耐腐蝕性能等方面，但對石墨烯復(fù)合材料實際應(yīng)用過程中存在的加工成本較高、難切削加工等問題還鮮有報道。

Gr增強鋁硅基復(fù)合材料切削性能的研究存在實驗步驟復(fù)雜、影響因素多、研究成本高、原材料浪費大等缺點；一些制造企業(yè)使用人工經(jīng)驗矯正方法來優(yōu)化加工參數(shù)，存在刀具磨損嚴(yán)重、加工效率低、廢品率高和工件加工過程難以控制的現(xiàn)象[4]。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，切削過程中有限元模擬成為探索金屬切削加工過程的重要方法[5-7]，該方法省時省力，仿真效果直觀，可以克服反復(fù)試切造成的時間、刀具和材料的損耗，對降低加工成本，提高生產(chǎn)效率具有積極的意義。

本文采用Abaqus有限元軟件，對Gr/Al-18Si-4Cu-Mg 復(fù)合材料的銑削過程進行三維仿真模擬，研究切削過程中應(yīng)力分布對材料變形、切屑分離的影響規(guī)律，進行不同切削要素條件下的銑削力仿真計算，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，驗證仿真模擬的正確性和實用性。

1 實驗材料

設(shè)計Gr質(zhì)量百分含量分別為0%、0.25%、0.5%、0.7%的四組Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料，以便進一步探究Gr質(zhì)量百分含量的變化對復(fù)合材料切削性能的影響。實驗材料成分如表1所示；物理性能參數(shù)如表2所示[8]。

表1 Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料的化學(xué)成份 wt%

表2 Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料的物理參數(shù)

2 切削實驗與有限元仿真

2.1 銑削實驗

試驗在DX-6200數(shù)控銑床上進行，采用Kistler9275B三向切削力測量儀，采樣頻率為9kHz；YE5850型電荷放大器；INV3018型數(shù)據(jù)采集卡；微型計算機。將四組Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料按照設(shè)計的切削參數(shù)進行銑削并記錄三向銑削力Fx、Fy、Fz。刀具均采用四刃高速鋼YG6X立式銑刀，銑刀直徑為8mm，刀具前角γ為-15°，后角α為15°，螺旋角β為20°，刀具長60mm，切削刃長20mm。

2.2 本構(gòu)模型方程

材料模型通常是用應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度和變形之間的函數(shù)表示，是精確模擬加工過程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[9]。目前，常用的材料彈(粘塑)塑性關(guān)系模型有Johnson-Cook模型、Power-law模型、Litonski-Batra模型和Bodner-Partom模型等[10]。其中Johnson-Cook模型綜合熱塑形變、應(yīng)變和應(yīng)變率等諸多因素，可適用于合金、復(fù)合材料及非金屬材料，涉及的相關(guān)材料屬性參數(shù)可通過常規(guī)力學(xué)性能測試獲得。本文采用Johnson-Cook模型，使用Abaqus軟件進行銑削力的有限元仿真，仿真模型的數(shù)學(xué)表達式為[11]

表3 Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)值

2.3 切屑分離準(zhǔn)則

切削過程是用刀具擠壓和剪切工件材料，連續(xù)形成切屑的過程。切屑分離準(zhǔn)則對有限元仿真的結(jié)果影響很大，目前使用的切屑分離準(zhǔn)則主要是幾何準(zhǔn)則、物理準(zhǔn)則兩大類[12]。使用物理分離準(zhǔn)則時，需要充分了解實際切削層中距離刀尖最近的切削節(jié)點的應(yīng)力、應(yīng)變和變形能等物理量，與幾何分離準(zhǔn)則相比，物理準(zhǔn)則更符合實際切屑分離情況，而且還能獲取中間參數(shù)的物理意義。本文采用較為簡便的Shear Damage物理失效準(zhǔn)則，在Abaqus軟件中狀態(tài)變量ATATUS標(biāo)記為1，在隨后一次計算切削變形中，該切削單元被直接刪去，不再標(biāo)注有關(guān)切削性質(zhì)且也不再參與隨后切削計算?？紤]到銑刀走過的路線為螺旋形，切屑厚度不均勻，因此本文將采取單元去除的切屑分離方式。

2.4 三維模型建立與網(wǎng)格劃分

本文選用四刃高速鋼銑刀，通過UG創(chuàng)建銑刀和工件的三維模型，得到的三維模型如圖1所示。為減小計算量，在不影響最終仿真結(jié)果的條件下，只選取刀具中實際參與切削的一部分。

圖1 銑刀模型

網(wǎng)格劃分直接關(guān)系仿真模型建立的精度、效率及仿真能否成功，良好的網(wǎng)格劃分應(yīng)兼顧模型的精度和計算效率。本文對工件及刀具分別使用不同階次的單元，對非重點研究的銑刀部分采用較低階次較低單元的C3D8模式；對Gr/Al-18Si-4Cu-Mg測試材料使用階次較高的四節(jié)點雙線性平面應(yīng)變四邊形實體單元CPS8R模式。同時考慮測試材料距離刀尖的不同位置采用不同的網(wǎng)格密度，切削刃與工件接觸部分網(wǎng)格密度較高，距切削刃較遠區(qū)域網(wǎng)格密度較低，既縮小模型的網(wǎng)格規(guī)模，又不影響仿真結(jié)果的精度。劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 銑削過程仿真分析

圖3為Gr質(zhì)量百分含量0.5%、主軸轉(zhuǎn)速1100r/min、進給量250mm/min、切削深度1.4mm時，工件和刀具在不同切削階段的應(yīng)力分布云圖。銑刀設(shè)置為剛體，因此刀具上沒有應(yīng)力分布。

由圖3可見切削過程中銑刀刀刃區(qū)域和工件切屑剪切變形區(qū)之間的應(yīng)力分布狀態(tài)及切屑分離過程。圖3a所示，當(dāng)銑刀的刃部與工件材料初步接觸時，Gr/Al-18Si-4Cu-Mg測試材料與刃部相接觸的變形區(qū)域受到較大的壓應(yīng)力，此時銑刀前刀面與工件第二變形區(qū)之間相互擠壓摩擦，接觸區(qū)域材料受到壓應(yīng)力和沖擊載荷，最大應(yīng)力達到631.6MPa左右，導(dǎo)致材料變形，卷曲形成切屑，表面已經(jīng)超出Gr/Al-18Si-4Cu-Mg測試材料的屈服極限。圖3b和圖3c所示，隨著工件持續(xù)進給和銑刀旋轉(zhuǎn)，刀刃不斷切入工件，受力變形區(qū)域面積逐漸擴大；當(dāng)?shù)度信c切削變形區(qū)間的應(yīng)力達到剪切強度極限值，引起材料分離、斷裂，切屑被甩出，銑刀第二個切削刃切入工件，重復(fù)上述過程。

圖3 0.5%Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料切削過程應(yīng)力分布云圖

3.2 仿真與實驗結(jié)果分析

在仿真實驗中，將Gr質(zhì)量百分含量為0.5%的測試材料的物理參數(shù)帶入計算模型中，在主軸轉(zhuǎn)速900r/min、進給量200mm/min、切削深度1.1mm條件下，獲得切削力分布曲線。將仿真過程中提取的銑削力與在相同銑削參數(shù)下銑削試驗時Kistler9275B測得的銑削力曲線對比，Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料實驗和仿真的主切削力曲線如圖4所示。

通過計算，模擬值與實驗值間的平均值誤差θ=17.3%，斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)P=0.7267。此外，本文對四組樣品模擬切削力隨主軸轉(zhuǎn)速、進給量和切削深度的變化情況，與相同條件下銑削實驗獲得的切削力進行對比，得出實驗和仿真的對比結(jié)果。以Gr質(zhì)量百分含量0.5%和0.7%為例，對比結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖4 主切削力時域曲線

圖5 主切削力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢

圖6 主切削力隨切削深度的變化曲線

圖7 主切削力隨每分鐘進給量的變化曲線

分析圖5～圖7發(fā)現(xiàn)，雖然仿真與實驗結(jié)果存在數(shù)值上的差異，但兩者在變化趨勢上一致，通過計算，平均差值約為53.7N左右，仿真結(jié)果很好地反映切削參數(shù)對切削力的影響，說明本文建立的模型適用，仿真結(jié)果可為生產(chǎn)實踐提供參考依據(jù)。觀察圖5可見，當(dāng)Gr質(zhì)量百分含量為0.5%時，隨著轉(zhuǎn)速的逐漸升高，無論是仿真曲線，還是實測的銑削力曲線變化幅度都不大，切削力值均在600N以上；而Gr含量為0.7%時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，切削力下降明顯；出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是Gr含量增加，導(dǎo)致其在基體中出現(xiàn)團聚，引起硬度下降，使切削力對轉(zhuǎn)速的升高更敏感。對比圖6和圖7曲線，切削深度對Gr質(zhì)量百分含量為0.5%和0.7%的兩組試樣切削力幅值變化的影響更為顯著，切削力變化幅度較大，在 450～800N間變化。仔細觀察圖7中的測試點，當(dāng)Gr質(zhì)量百分含量為0.5%時，仿真曲線與實測曲線測試點的吻合度更高，說明石墨烯質(zhì)量百分含量為0.5%的樣品中強化相均勻分布，材質(zhì)更均勻，石墨烯無團聚現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)使用Abaqus軟件建立了Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料的有限元模型。得到了工件在切削過程不同階段的應(yīng)力分布云圖，根據(jù)所得結(jié)果分析，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果具有較好的一致性，證明本文建立的Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料的三維有限元仿真模型的正確性和適用性。

(2)通過對比Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%和0.7%時兩組材料在主軸轉(zhuǎn)速500～1100r/min、切削深度0.4～1.4mm及進給量100～250mm/min條件下的切削力仿真曲線和實測銑削力曲線，顯示當(dāng)Gr含量為0.5%時Gr/Al-18Si-4Cu-Mg復(fù)合材料的強化相分布更均勻，切削力幅值變化相對較小。