SCD刀具高速切削SiCp/Al刀具磨損仿真分析＊

焦丹丹,裴 禹,趙孟石,姚鴻賓,楊 娜

（黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020）

1 引言

近些年國(guó)內(nèi)在航天航空屢做突破，這離不開(kāi)一代代前輩的奮斗，也需要很多新型材料的支撐，其中的一大重要研究領(lǐng)域就是鋁基碳化硅復(fù)合材料。鋁基碳化硅復(fù)合材料具有高質(zhì)量比、耐磨性、耐高溫性、尺寸的高精度穩(wěn)定性、不容易吸濕、化學(xué)性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度和硬度大等特點(diǎn)[1]，它在航空航天、光學(xué)元件、飛行器等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用，特別是在電子等領(lǐng)域，適用于天文望遠(yuǎn)鏡、慣性導(dǎo)航平臺(tái)、掃描顯微鏡等幾種高精度應(yīng)用，火星車材料等等[2]。由于在上述場(chǎng)合下零件會(huì)頻繁的受到高低溫交替變化，所以需要在這條件下依舊性能穩(wěn)定的材料，因此性能優(yōu)異的鋁基碳化硅可以滿足上述苛刻要求[3-4]。對(duì)此為了去探究在加工高體分比復(fù)合材料時(shí)的一些刀具磨損等其他情況，我們就需要利用ABAQUS 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，這不僅節(jié)約了大量的資源和人力也避免了在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中的意外。

如圖1 所示，ABAQUS 有限元仿真流程可以分為三部分，第一步為前處理及通過(guò)一系列的定義去規(guī)范我們所需要仿真的具體事物例如定義材料、元素的一些幾何形狀例如角度等、相互接觸作用的屬性、負(fù)載和所需要計(jì)算的區(qū)域；第二步為求解裝配及通過(guò)整合各個(gè)單元部分的條件來(lái)求解方程式；第三步為后處理步及通過(guò)一系列的手段讓使用者得到所需要的數(shù)據(jù)，并且更容易去理解計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果[5]。

圖1 有限元軟件分析流程

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

SiCp/Al 復(fù)合材料其綜合性能優(yōu)于基體和增強(qiáng)相?？偹苤鰪?qiáng)型顆粒復(fù)合材料的性能由界面結(jié)合力決定，而界面結(jié)合力會(huì)受到熱膨脹產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、結(jié)合面處高溫下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)影響?，F(xiàn)有的方法難以充足的對(duì)鋁基碳化硅材料的相關(guān)性能進(jìn)行正確的計(jì)算和分析，依據(jù)現(xiàn)有的理論難以對(duì)其的綜合性能進(jìn)行精確的計(jì)算和仿真分析，對(duì)此國(guó)內(nèi)外有許多的研究者和工程師也進(jìn)行了有關(guān)的研究[6]。

長(zhǎng)春理工大學(xué)王志達(dá)等人[7]，探究激光輔助切削技術(shù)對(duì)鋁基碳化硅材料加工質(zhì)量的影響，利用ABAQUS 對(duì)材料受熱后溫度場(chǎng)的分布和不同切削參數(shù)下的應(yīng)力分布進(jìn)行了仿真研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料在受到激光預(yù)熱后影響了界面結(jié)合力，使得切削過(guò)程中應(yīng)力減小，有助于改善加工表面粗糙度，降低刀具磨損。

沈陽(yáng)理工大學(xué)王澤良等人[8]，使用ABAQUS探究切削參數(shù)和刀具幾何角度對(duì)工件切削溫度的影響，結(jié)果表明：在刀具切削處的高溫區(qū)，材料內(nèi)部存在較大應(yīng)力值，基體溫度也高于顆粒溫度。

南京航空航天大學(xué)葛英飛等人[9]，通過(guò)分析鋁基復(fù)合材料切屑根部和形態(tài)以及金相組織，建立超精密車削鋁基復(fù)合材料切削形成模型，結(jié)果表明：切屑呈厚度準(zhǔn)周期性變化的鋸齒狀； 切削變形時(shí)工件材料中微裂紋的動(dòng)態(tài)形成和擴(kuò)展、剪切角周期變化是形成這種切屑形態(tài)的兩種主要機(jī)制。

3 鋁基復(fù)合材料微觀模型建立

在刀具高速切削過(guò)程中，由于基底材料鋁是塑性材料且易切削，對(duì)SCD刀具的磨損影響較小，因此SCD在高速切削過(guò)程中的磨損來(lái)源主要是SiC 顆粒對(duì)SCD 刀具的撞擊。因此在仿真過(guò)程中，可以將切削過(guò)程轉(zhuǎn)為SiC顆粒對(duì)SCD刀具的撞擊，從而減少計(jì)算量以便于仿真的運(yùn)行。材料參數(shù)如表1 所示，仿真過(guò)程中使用的本構(gòu)關(guān)系模型為Johnson-Cook模型[10]，公式方程形式如下所示：

表1 工件與SCD的材料參數(shù)

σ為流動(dòng)應(yīng)力；ε為塑性應(yīng)變；

Tr為室溫；Tm為材料溶點(diǎn)；

A為初始屈服應(yīng)力(MPa)；B為應(yīng)化模量(MPa)；

n為加工硬化指數(shù)；c為應(yīng)變率強(qiáng)化項(xiàng)系數(shù)；

m為熱軟化系數(shù)。

在假設(shè)材料為各向同性材料的基礎(chǔ)下，屈服應(yīng)力主要是由應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度決定的[7]。

表2 6063Al基體的Johnson-Cook參數(shù)

表3 強(qiáng)化顆粒的脆性斷裂參數(shù)

4 高速切削復(fù)合材料仿真

4.1 SCD刀具磨損仿真

SiC 顆粒的直徑多集中于3-10μm 之間，在仿真過(guò)程中SiC 的大小分別取3μm，4μm，5μm 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。每一分析步的時(shí)間為0．0012s，刀具的切削速度設(shè)置為800mm/s，為了便于仿真的計(jì)算，模型建立中選取一個(gè)SiC顆粒和其對(duì)應(yīng)的刀具部分進(jìn)行仿真分析，從圖2(a)(b)(c)可以看出，SiC顆粒的大小對(duì)刀具磨損的范圍有著直接的影響，而且應(yīng)力的范圍也會(huì)隨著SiC 顆粒體積的增大而增大。應(yīng)力大小從撞擊的核心區(qū)域逐步擴(kuò)散，且擴(kuò)散面積也隨著SiC顆粒的大小增大而增大。

圖2 速度為800mm/s的刀具磨損仿真

可以從刀具磨損情況得出，在切削速度為800mm/s 時(shí)刀具磨損的主要形式是SCD 刀具受到撞擊后的變形，此時(shí)刀具的磨損比較小，沒(méi)有出現(xiàn)大范圍的微崩刃和材料脫落。如圖3，當(dāng)切削速度速度為1200mm/s時(shí)SCD刀具出現(xiàn)大范圍材料脫落，脫落材料形貌取決于SiC顆粒的大小，且最大應(yīng)力達(dá)到4．958×103接近5×103，這也是SCD在Johnson-Cook模型中材料最大承受應(yīng)力。當(dāng)SCD 撞擊區(qū)域材料受到5×103大小應(yīng)力時(shí)，材料會(huì)發(fā)生脫落和微崩刃。

圖3 切削速度為1200mm/s的磨損仿真

4.2 精密切削溫度場(chǎng)仿真

切削溫度通常指的是溫度達(dá)到平衡狀態(tài)后，切削區(qū)工件與刀具接觸面的平均溫度。仿真呈現(xiàn)結(jié)果依舊采用單因素分析法，只研究切削速度對(duì)切削溫度的影響，選取切削深度10 μm，切削速度為1200mm/s切削過(guò)程進(jìn)行研究，研究不同時(shí)間段的溫度變化趨勢(shì)；對(duì)應(yīng)切削結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 低速精密切削溫度仿真

由圖4 可知，刀具切削基體材料(圖4b)與刀具對(duì)SiC 顆粒的切削過(guò)程中(圖4c)，隨著和SiC顆粒的不斷接近，溫度的陡然上升是符合實(shí)際情況的，因?yàn)镾iC 顆粒是脆性材料，導(dǎo)致和刀具的接觸處溫度會(huì)瞬增。如圖5所示，在切削深度為10μm，切削行程為30 μm(切削2 個(gè)SiC 顆粒)，切削速度為1200mm/s和1600mm/s時(shí)切削溫度的變化圖。在切削SiC顆粒時(shí)接觸面溫度會(huì)急劇上升并在切削結(jié)束后降低，不同切削速度會(huì)影響切削SiC顆粒時(shí)的最高溫度。

圖5 切削過(guò)程中溫度變化

4.3 仿真分析

刀具的磨損隨著切削深度的增加而增加，這主要是由于刀具在大切削深度時(shí)，刀面和刀刃與更多的SiC顆粒進(jìn)行碰撞，隨著碰撞的次數(shù)增多，刀具出現(xiàn)微小的材料脫落，并且隨著切削時(shí)間和進(jìn)程的增加，微小的脫落會(huì)造成大面積的材料脫落，材料脫落的面積接近于SiC顆粒的大小。在切削深度一定時(shí)，切削溫度隨著切削速度的增大而增大，且在切削SiC顆粒時(shí)切削溫度會(huì)急劇上升并迅速降低，切削速度對(duì)切削SiC顆粒和基體材料的影響均較大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文有限元仿真和車削實(shí)驗(yàn)方案都取得了一定成果，但是因?yàn)闀r(shí)間、地點(diǎn)和設(shè)備等因素的限制，本論文完成后仍有一些方案可以進(jìn)行研究：

(1) 本文SiCp/Al 復(fù)合材料的宏觀模型和微觀模型都是理想化模型仿真，可以進(jìn)一步進(jìn)行利用Python 子程序進(jìn)行復(fù)合材料建模以更細(xì)致的探索SiCp/Al 復(fù)合材料的切削刀具磨損的情況。

(2) 由于刀具磨損中可能出現(xiàn)的磨損原因太多例如化學(xué)氧化反應(yīng)等，難以用仿真軟件仿真出來(lái)所以需要試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)一些難以仿真出來(lái)的刀具磨損進(jìn)行一些深入研究。

(3) 由于時(shí)間和設(shè)備的原因，網(wǎng)格劃分難以達(dá)到很細(xì)致的程度所以，今后的研究可以選擇一些計(jì)算能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)對(duì)此進(jìn)行更加精密的刀具磨損和精密切削仿真。

(4) 在高速銑削等方面，高體分比鋁基復(fù)合材料仍然有許多的空白處等待我們?nèi)ヌ骄俊?/p>