SiO2/HDPE復合材料切削仿真與試驗研究

史賀飛，于保軍，賈志遠，于浩

（1.長春工業(yè)大學 機電工程學院，長春 130012；2.吉林江機特種工業(yè)有限公司，吉林 吉林 132000）

0 引言

聚合物基復合材料因其優(yōu)異的性能而在各種工程領域得到了廣泛的應用。這促使研究人員對聚合物復合材料進行了廣泛的研究[1]。聚合物基復合材料具有比強度、比模量高、功能性強、加工性能好、抗振性好等優(yōu)點[2]，被應用在隔離材料、航空航天零部件、電子工業(yè)、生物醫(yī)學、汽車、運輸、家庭常用品，此外也應用于特殊部件（飛機機翼、渦輪葉片等）[3]，逐漸成為人們日常生活中不可或缺的材料，有非常大的發(fā)展前景。

顆粒增強聚合物基復合材料（Particle Reinforced Polymer Matrix Composites，簡稱PRPMCs）是一種新型高分子復合材料，是指在聚合物基體中添加金屬氧化物、金屬粉末、陶瓷、非金屬氧化物或天然填料等增強顆粒，比如二氧化硅、二氧化鈦、礦物顆粒、氧化鋁或氧化鋅等[4]。

聚乙烯（Polyethylene，簡稱PE）是乙烯經過聚合反應合成的一種熱塑性材料，成本低、易加工、耐化學腐蝕，是樹脂材料中產量最多的一種聚合物，已經成為世界上第三種廣泛使用的塑料。高密度聚乙烯（HDPE）是聚乙烯材料中的一種，具有易于成型、成本低、密度高、硬度高等特點[5]，密度通常在0.942～0.965 g/cm3之間[6]，通常應用于制造機械包裝、剛性容器、管道及汽車工業(yè)等。

SiO2是一種無定形材料，化學性質穩(wěn)定，它以硅酸聚合物的形式存在，應用廣泛，通常來看，無機材料SiO2相比于聚合物具有較高的力學強度，因此可以作為增強顆粒填料應用于復合材料中，用于提高材料的剛度、屈服強度、斷裂韌性，改善不同聚合物的力學性能。SiO2與聚合物能夠產生協(xié)同效應，賦予復合材料新的性能，因而在多功能材料的方向具有巨大的潛力[7]。

SiO2/HDPE復合材料因其具有優(yōu)異的力學、熱學及電學等性能，已經受到廣泛的關注[8]，增強顆粒的加入提高了材料的力學性能，但是會使得材料的可加工性降低，因此研究其切削加工性能具有重要的意義。

復合材料切削加工經歷復雜的變形過程，成本高、周期漫長。隨著有限元仿真技術在切削加工模擬中應用越來越廣泛，在材料切削加工、優(yōu)化切削加工參數起到了不可替代的作用[9]。本文采用ABAQUS有限元仿真軟件對SiO2/HDPE復合材料進行二維正交切削仿真，使用Python算法建立隨機顆粒分布，并進行材料切削加工試驗，觀察其加工性能。

1 材料本構參數

材料在切削加工過程中會出現彈塑性變形，涉及到溫度、應變率、摩擦熱等。Johnson-Cook本構模型可以完美描述材料在切削加工過程中材料的變形過程，其表達式如下：

式中：σ為等效應力；A為材料在室溫和參考應變率下的屈服應力；B為硬化模量；n為硬化指數；C為應變率強化常數；ε.為等效塑性應變率；ε.0為材料參考應變率（取0.001 s-1）；Troom、Tmelt分別為室溫（取20 ℃）和材料熔化溫度（取130 ℃）；m為熱軟化常數。

通過高密度聚乙烯準靜態(tài)壓縮和霍普金森壓桿試驗得到材料力學數據，經過擬合得到高密度聚乙烯材料Johnson-Cook本構模型參數，如表1所示。

表1 J-C本構方程參數表

SiO2被認為是各向同性材料，且加工過程中不考慮其斷裂，刀具選用CW硬質合金刀具。其切削仿真中所用材料基本參數如表2所示。

表2 切削仿真中所用材料基本參數

2 切削仿真模型的建立

工件仿真采用mm單位制，工件尺寸為10 mm×6 mm，顆粒直徑為0.2 mm，刀具前后角均為10°，刀尖圓弧半徑為0.2 mm，工件設置切削區(qū)域和非切削區(qū)域，且只在切削區(qū)域內生成隨機顆粒，這樣可以減少網格的數量，大大降低仿真所需要的時間，提高仿真效率。裝配時，需要在刀具與工件間設置一定間隙，防止切削過程中產生干涉，影響仿真效果，裝配及網格模型、接觸約束及加載設置如圖1所示。

圖1 隨機顆粒切削裝配模型

3 切削仿真分析

3.1 切削仿真過程分析

圖2為SiO2/HDPE 復合材料在ap=0.4 mm、v=60 m/min 下的切削仿真中切削力的變化過 程。 在t =0.36 ms時，刀具剛剛切入工件，切削力主要集中在第一變形區(qū)；刀具繼續(xù)切削，當遇到顆粒時，切削力增大，顆粒被擠壓，最大應力出現在顆粒附近；在t=3.786 ms時，切削路徑上方的顆粒在拉壓應力的作用下被剝離，切屑發(fā)生斷裂；在t=9.21 ms時，切削路徑上的顆粒在刀具的作用下被剝離出基體，在已加工表面留下空穴。

圖2 復合材料切削過程

3.2 切削速度對切削力和切削溫度的影響

圖3為在不同切削深度下切削力和切削溫度隨切削速度的變化曲線，從圖3上可以看出，切削力隨著切削速度的增大呈現先升高、后降低的趨勢，且切削深度越大，切削力越大，主要因為切削速度的增大導致單位時間內刀具切除的切屑體積更大，與刀具的摩擦加劇，溫度升高。當切削速度增加到一定值時，切削溫度更高，使得聚乙烯基體發(fā)生軟化，材料剪切強度降低，所以切削力減小。由圖3（b）可以看到，切削溫度隨切削速度增大而增大，主要因為切削速度的升高導致刀具與切屑的摩擦加劇，而且聚乙烯基體熱傳導系數較低，熱量來不及傳導，最終切削溫度升高。

圖3 切削力和切削溫度隨速度的變化

4 切削試驗分析

本次試驗采用銑床對SiO2/HDPE 進行切削試驗，試驗中切削深度ap為2 mm，切削速度v為60、90、120、150 m/min，使用AMETEK 旗下ZYGO 的3D 光 學輪廓儀測量已加工表面粗糙度，測量結果如圖4 所示。從中可以看出，在其他加工參數一定的情況下，表面粗糙度隨著切削速度的增加而降低，即SiO2/HDPE 復合材料切削表面質量隨著切削速度的增加而逐漸變好，切削速度可以提高其表面質量。

圖4 切削加工表面粗糙度

5 結論

1）使用Johnson-Cook本構建立SiO2/HDPE復合材料二維隨機顆粒切削模型，模擬了切削過程，分析切削過程中切削力的變化。

2）研究發(fā)現，切削力隨切削速度的增大而呈現先增大、后降低的趨勢，切削溫度隨切削速度的增加而出現升高的趨勢。

3）通過對復合材料進行加工試驗，測量已加工表面質量，發(fā)現切削速度可以改善復合材料加工表面質量。