SiCp/Al復(fù)合材料切削加工性的影響機(jī)理研究

馮銘龍，王 棟，王忠平，苑紅磊，范振全

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266000）

0 前言

鋁基碳化硅復(fù)合材料（SiCp/Al）是以金屬鋁為基質(zhì)，通過添加適當(dāng)體積分?jǐn)?shù)的碳化硅顆粒來制成的一種特殊的鋁基復(fù)合材料[1-3]。與傳統(tǒng)的金屬相比，因其具有較高的耐磨性、良好的耐高溫性和抗咬合性能，同時熱膨脹系數(shù)更小，導(dǎo)熱性更好，在航空航天領(lǐng)域、精密儀器和光學(xué)儀器研究方面得到了更加廣泛的應(yīng)用。

然而，作為一種難加工材料，隨著SiCp/Al復(fù)合材料應(yīng)用的越來越廣泛，其對切削加工方法也提出了更加嚴(yán)苛的要求。由于SiCp/Al復(fù)合材料中含有較高硬度的增強(qiáng)顆粒，采用高速切削時會對刀具造成高頻沖擊，不僅造成刀具磨損[4-7]，工件的表面加工質(zhì)量也難以得到保障，因此諸多專家學(xué)者對SiCp/Al復(fù)合材料切削加工性的影響因素進(jìn)行了廣泛研究。董志國等人[8]針對SiCp/Al復(fù)合材料微切削刀具易磨損、難以獲得高質(zhì)量加工表面的問題，對40%體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al復(fù)合材料采用軸向超聲振動進(jìn)行輔助微銑削，結(jié)果表明三向切削力都呈現(xiàn)出隨主軸轉(zhuǎn)速先增大后減小的趨勢，可使三個方向的切削力減小10%～50%。Dai等[9]通過使用霍普金森分壓棒研究了體積分?jǐn)?shù)為3.5、10和20的SiC顆粒增強(qiáng)的2024鋁基復(fù)合材料中粒徑對絕熱剪切帶的影響。這種尺寸依賴性現(xiàn)象可以通過應(yīng)變梯度效應(yīng)來表征。不穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，高應(yīng)變梯度是在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中形成絕熱剪切帶的強(qiáng)大驅(qū)動力。

對于材料的屬性，鋁基復(fù)合材料與普通材料是截然不同的，并且其切削加工性能也是不同的[10]。本文基于ABAQUS有限元仿真軟件對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了不同顆粒尺寸下的高速切削仿真，構(gòu)建鋁基復(fù)合材料和碳化硅顆粒的模型，從一定程度上反映出工件的真實切削過程，指導(dǎo)實際生產(chǎn)中鋁基復(fù)合材料的切削加工。

1 有限元建模

1.1 銑削幾何模型建立

在建立高速銑削有限元模型時，銑刀模型因較為復(fù)雜且建模耗時長以及網(wǎng)格數(shù)量龐大從而影響仿真效率以及精度，因此合理簡化銑削模型至關(guān)重要，故其常將三維面銑等效簡化為二維銑削模型[11]。鋁基體和SiC顆粒的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。其中SiCp/Al復(fù)合材料中SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為25%，顆粒尺寸選取10μm、20μm、30μm、40μm、50μm。

表1 鋁基體和SiC顆粒的力學(xué)性能

1.2 有限元模型的構(gòu)建

仿真過程中工件尺寸為7 mm×3 mm，且約束SiCp/Al復(fù)合材料左端及下端全部自由度。刀具為聚晶金剛石刀具，其參數(shù)為：刀具前角為15°，后角為11°，刀具鈍圓半徑為0.2 mm。冷卻方式采用干切削，初始溫度為20℃。仿真過程基于單因素實驗設(shè)計，其中仿真方案如表2所示。

表2 有限元仿真方案

圖1 鋁基復(fù)合材料切削模型及網(wǎng)格劃分

圖1 為鋁基復(fù)合材料的切削仿真模型。仿真過程中采用圓形SiC顆粒來提高仿真效率，圓形SiC顆粒復(fù)合材料仿真與實驗結(jié)果有較好的一致性，有限元仿真可以為SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工性提供一定的指導(dǎo)作用[4][7]。此外暫不考慮刀具磨損與變形，可將刀具假定為剛體。切削過程中模型的網(wǎng)格劃分采用CPE4RT單元，單元總數(shù)為163 234，節(jié)點總數(shù)為163 698，鋁基體和SiC顆粒的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力和切削溫度分析

刀具刃口在切削過程中與工件發(fā)生接觸的同時因作用力的大小會使工件在刀具刀尖部位發(fā)生形變。從力學(xué)的角度來看，切削作用的實質(zhì)是一種有控制的受力破壞，其目的是為從工件上切除一部分材料從而獲得一定的尺寸精度和表面質(zhì)量的制品[12]。因此探究SiC/Al鋁基復(fù)合材料顆粒尺寸對切削力和切削溫度的影響規(guī)律對研究其切削加工性至關(guān)重要。

2.1.1 顆粒尺寸對切削力的影響

圖2為不同切削參數(shù)下顆粒尺寸對主切削力的影響曲線圖。從圖2（a）可知，在顆粒尺寸從10 μm增大到30μm時，隨著切削速度的增加，主切削力呈減小的變化趨勢。分析認(rèn)為隨著切削速度的增加，切削溫度升高致使鋁基體軟化，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，切削力減小[13]。隨著顆粒尺寸繼續(xù)增大，切削力隨切削速度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。SiC/Al復(fù)合材料切削力的主要來源有：切屑的形成力、增強(qiáng)顆粒對鋁基體材料的犁耕作用以及增強(qiáng)顆粒的破裂和移位[14]。分析認(rèn)為，當(dāng)切削速度較低時，溫度升高造成的鋁基體軟化導(dǎo)致切屑的阻力以及增強(qiáng)顆粒對鋁基體的犁耕作用使切削力減小。然而隨著切削速度的進(jìn)一步增加，切削過程會演變成對SiC顆粒組成的類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的切削，其抗壓縮能力強(qiáng)于其抗拉伸性能，切削溫度的變化對SiC/Al復(fù)合材料力學(xué)性能的影響減小。與此同時，切削速度的增大使材料應(yīng)變率增大，單位時間內(nèi)材料的去除率增大，導(dǎo)致切削力上升。

由圖2（b）可知，切削力與切削深度以及顆粒尺寸之間呈正相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為隨著切削深度的增加，刀-屑之間的接觸面積增大，切削區(qū)域的顆粒數(shù)量增多，形成切屑過程中刀具所克服的阻力與切屑和前刀面之間的摩擦力也隨之增大，導(dǎo)致切削力增大。

圖2 不同切削速度下顆粒尺寸對主切削力的影響

2.1.2 顆粒尺寸對切削溫度的影響

圖3為不同切削參數(shù)下顆粒尺寸對工件最高切削溫度的影響曲線圖。由圖可知，切削速度和進(jìn)給量對SiC/Al復(fù)合材料切削時工件最高切削溫度的影響規(guī)律大致相同，即隨著切削參數(shù)的增加，工件最高切削溫度呈上升的變化趨勢。由圖3（a）可知，在切削速度較低時，工件最高切削溫度增大幅度較??；當(dāng)增加到50 m/min后，切削溫度迅速升高，與此同時顆粒尺寸與切削溫度也呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為，隨著切削速度的增大，單位時間內(nèi)刀具切過SiC顆粒的數(shù)量逐漸增多，使刀具與顆粒之間的摩擦越加劇烈，導(dǎo)致切削溫度升高。

從圖3（b）可知，切削SiC/Al復(fù)合材料過程中工件的最高溫度與切削深度以及顆粒尺寸大小呈正相關(guān)關(guān)系，總體趨于平穩(wěn)上升的變化趨勢。分析認(rèn)為，切削力受切削深度的影響較為敏感，隨著切削速度的增大，切削面積逐漸增大，從而使剪切力增大，導(dǎo)致切削溫度逐漸升高。

圖3 不同切削速度下顆粒尺寸對切削溫度的影響

2.2 仿真云圖分析

圖4 為顆粒尺寸為10μm、30μm和50μm時不同切削時間下的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以觀察到，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在刀具前刀面與第二變形區(qū)的接觸區(qū)域，隨著切削過程的進(jìn)行，最大等效應(yīng)力逐漸增大，然而等效應(yīng)力的集中范圍逐漸減小。在切削開始階段，應(yīng)力在133.2～152.1 MPa范圍內(nèi)的較多，且最大等效應(yīng)力達(dá)到了228.1 MPa，主要集中在刀具前刀面與第二變形區(qū)的接觸區(qū)域，并以此為中心向工件內(nèi)部以遞減的趨勢逐漸擴(kuò)散。隨著切削過程的進(jìn)行，等效應(yīng)力的范圍逐漸較小。

圖4 不同時間下SiCp/Al復(fù)合材料的應(yīng)力云圖

從圖4中還可以觀察到，在同一時間下，最大等效應(yīng)力與顆粒尺寸呈正向關(guān)關(guān)系。與此同時，隨著顆粒尺寸的增加，Mises應(yīng)力集中范圍逐漸減小。當(dāng)顆粒尺寸為50μm時，在切削過程的最后階段，等效應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為，隨著顆粒尺寸的增大，在切削過程中刀具與SiC顆粒之間的摩擦增大，使切削力和切削溫度都隨之增大，使等效應(yīng)力呈增大的變化趨勢。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)顆粒尺寸由10μm增大到30μm時，隨著切削速度的增加，主切削力呈減小的變化趨勢。隨著顆粒尺寸繼續(xù)增大到40μm后，切削力隨切削速度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。切削力與進(jìn)給量和顆粒尺寸呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）切削速度和進(jìn)給量對SiC/Al復(fù)合材料切削時工件最高切削溫度的影響規(guī)律大致相同，即隨著切削參數(shù)的增加，工件最高切削溫度呈上升的變化趨勢。切削SiC/Al復(fù)合材料過程中工件的最高溫度與進(jìn)給量以及顆粒尺寸大小呈正相關(guān)關(guān)系，總體趨于平穩(wěn)上升的變化趨勢。

（2）最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在刀具前刀面與第二變形區(qū)的接觸區(qū)域，隨著切削過程的進(jìn)行，最大等效應(yīng)力逐漸增大，然而等效應(yīng)力的集中范圍逐漸減小。