SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形成及加工表面質(zhì)量研究

范依航， 徐永爍， 郝兆朋

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

碳化硅顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(SiCp/Al)與傳統(tǒng)的金屬材料相比，具有強(qiáng)度-質(zhì)量比高、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能良好,且高溫下耐磨損、耐疲勞等特點(diǎn)，已在航空航天、醫(yī)療器械、光學(xué)精密儀器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外許多研究人員采用不同的研究方法對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了研究分析，并取得一定成果。Joshi S S等[4]基于切屑和切屑根部的微觀結(jié)構(gòu)分析，研究了SiCp/Al復(fù)合材料加工過(guò)程中的切屑形成機(jī)理。結(jié)果表明，切屑的形成機(jī)制包括切屑在自由表面處嚴(yán)重?cái)嗔?，向刀尖擴(kuò)展，以及通過(guò)流動(dòng)變形去除剪切面上的殘余材料。黃樹(shù)濤等[5]使用有限元軟件仿真研究了高速切削復(fù)合材料切屑的形成過(guò)程和已加工表面的形成特征。Danderkar C R等[6]通過(guò)將Thirdwave Advantedge與Abaqus/Explicit相結(jié)合，提出一種多尺度有限元模型，用于預(yù)測(cè)加工引起的SiCp/Al復(fù)合材料亞表面損傷。夏曉東等[7]使用有限元分析軟件建立三維仿真模型來(lái)動(dòng)態(tài)模擬超精密切削SiCp/Al復(fù)合材料加工表面形成過(guò)程，研究了刀具與顆粒相對(duì)位置變化對(duì)顆粒破碎和工件表面形貌的影響。

由于增強(qiáng)顆粒的硬度高，幾乎不可塑性變形，導(dǎo)致在加工過(guò)程中出現(xiàn)切削變形復(fù)雜、刀具磨損嚴(yán)重、加工效率低等情況。這些因素嚴(yán)重阻礙了SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)一步推廣和運(yùn)用。文中采用切削實(shí)驗(yàn)與有限元仿真分析相結(jié)合的方法研究SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形成機(jī)理，以及切削表面形成過(guò)程，為SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工提供理論指導(dǎo)，滿足該類材料對(duì)于各個(gè)行業(yè)的需求具有廣泛而深遠(yuǎn)的意義。

1 實(shí)驗(yàn)與有限元建模

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1.1 機(jī)床

HVC1160型三坐標(biāo)軸數(shù)控銑床。

1.1.2 刀具

硬質(zhì)合金刀片。刀具的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1.3 工件材料

45%-SiCp/Al復(fù)合材料，有限元計(jì)算分析中應(yīng)用的材料參數(shù)見(jiàn)表2[8]。

表1 刀具材料的性能

表2 有限元計(jì)算分析中應(yīng)用的材料參數(shù)

1.1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

霍普金森壓桿裝置、電子萬(wàn)能試驗(yàn)壓縮機(jī)、OLYMPUS系列SC50金相顯微鏡。

1.2 幾何模型的建立

運(yùn)用ABAQUS/Explicit求解器對(duì)切削SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行有限元仿真，切削寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切削厚度，為了便于對(duì)切削機(jī)理的研究,以及減少有限元模型的計(jì)算量，可以把切削過(guò)程簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問(wèn)題。為了能夠真實(shí)反映SiCp/Al復(fù)合材料形貌，對(duì)照SiCp/Al復(fù)合材料的金相照片如圖1所示。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料金相照片

對(duì)Al基體和SiC顆粒分開(kāi)建模，SiC顆粒和Al基體網(wǎng)格劃分采用CPE4RT單元(四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變雙線性熱力耦合)，刀具網(wǎng)格的劃分采用CPE3T單元(三節(jié)點(diǎn)平面線性溫度耦合)，為了避免網(wǎng)格畸變的出現(xiàn)，采用拉格朗日自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，并對(duì)切削區(qū)域和刀尖處進(jìn)行網(wǎng)格加密?？紤]到硬質(zhì)合金刀具比工件材料硬得多，刀具設(shè)置為剛體，工件和刀具的初始溫度設(shè)置為25 ℃，有限元建模如圖2所示。

圖2 SiCp/Al復(fù)合材料有限元建模

1.3 材料本構(gòu)模型

Johnson-Cook本構(gòu)模型能夠很好地描述被切削材料變形過(guò)程中應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和溫升軟化效應(yīng)，在有限元軟件中得到廣泛使用，Johnson-Cook本構(gòu)模型公式[9]為

(1)

式中：εc----等效塑形應(yīng)變；

A----材料在室溫下的初始屈服強(qiáng)度；

B----硬化模量；

n----加工硬化指數(shù);

m----熱軟化系數(shù)；

C----應(yīng)變率敏感系數(shù),可以通過(guò)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)獲得;

T，T0，Tmelt----分別是材料的室溫、工作溫度和熔化溫度。

其中A，B，n通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)獲得。

Al基體的材料性能參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 Al基體的材料性能

1.4 切削分離準(zhǔn)則

基體2024鋁合金的斷裂失效采用Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則，材料的失效演化起始用標(biāo)量ω來(lái)衡量，當(dāng)滿足ω值等于1時(shí)，會(huì)發(fā)生切屑分離。

(2)

(3)

D1～D5----材料的失效參數(shù)。

材料失效參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4[10]。

表4 Al基體材料Johnson-Cook失效參數(shù)設(shè)置

SiC材料是典型的脆硬性材料，在SiCp/Al復(fù)合材料的切削過(guò)程中容易發(fā)生SiC顆粒的脆性斷裂失效現(xiàn)象。因此，文中引入脆性斷裂材料模型。

SiC顆粒的斷裂準(zhǔn)則選取最大正應(yīng)力準(zhǔn)則，即

max(σ1,σ2,σ3)=σ0,

(4)

式中:σ1,σ2,σ3----應(yīng)力分量,MPa；

σ0----材料的抗拉應(yīng)力,MPa。

基于斷裂能準(zhǔn)則，失效裂紋開(kāi)裂位移un0可定義為

(5)

顆粒破碎演化過(guò)程的剪切模量Gc計(jì)算公式為

(6)

式中:G----顆粒破碎前的剪切模量；

(7)

p----保持因子。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]及計(jì)算可得脆性開(kāi)裂材料模型中的相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 SiC脆性斷裂參數(shù)

1.5 摩擦模型

在切削過(guò)程中，刀具與工件和切屑截面之間的相互摩擦效應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，它直接影響復(fù)合材料切屑的變形程度，文中采用基于庫(kù)倫摩擦定律的粘結(jié)-滑移混合摩擦模型，摩擦應(yīng)力可描述為

(8)

式中：μe----有限元分析中的摩擦系數(shù),為0.3;

σn----法向應(yīng)力。

2 結(jié)果與分析

2.1 切屑形成機(jī)理

在相同切削條件(切削速度v=60 m/min)仿真切屑和實(shí)驗(yàn)切屑形態(tài)對(duì)比如圖3所示。

(a) 切屑仿真圖 (b) 切屑實(shí)驗(yàn)圖

在剪切變形過(guò)程中，SiCp/Al復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，SiC顆粒起著承載作用，而鋁基體是傳遞載荷。SiCp/Al復(fù)合材料的失效始于SiC顆粒周圍形成的空洞，當(dāng)材料進(jìn)一步剪切時(shí)，微裂紋的擴(kuò)展與隨后的斷裂相連接，導(dǎo)致SiC顆粒破碎，基體材料從切削層分離，最終形成在宏觀上呈現(xiàn)細(xì)碎形貌的切屑。

為了深入探究SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形成機(jī)制，通過(guò)掃描電鏡觀察切屑表面,如圖4所示。

(a) 微裂紋與空洞 (b) 裂紋與微裂紋

由圖4可以看出，切屑表面存在大量微裂紋和微空洞，這些空洞和微裂紋大多在SiC顆粒周圍，空洞不斷長(zhǎng)大聚合并形成微裂紋，使材料產(chǎn)生斷裂。由此可知，在SiCp/A1復(fù)合材料切屑的形成過(guò)程中，空洞、裂紋的形成和擴(kuò)展起著重要作用。

2.2 已加工表面的形成機(jī)理

SiCp/Al復(fù)合材料作為一種兩相復(fù)合材料，加工表面缺陷形式復(fù)雜多樣，表面形成機(jī)制并不完全是由刀具運(yùn)動(dòng)摩擦造成的。采用相同的切削條件(切削速度v=50 m/min)對(duì)其進(jìn)行切削加工，得到仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分別如圖5和圖6所示。

(a) 仿真圖 (b) 實(shí)驗(yàn)圖

(a) 仿真圖 (b) 實(shí)驗(yàn)圖

在加工表面形貌方面，觀察到相當(dāng)粗糙的表面，包括許多缺陷，例如不同尺寸的坑洞(見(jiàn)圖5)。因?yàn)樵谇邢鬟^(guò)程中，顆粒受到前刀面和基體塑性變形間的壓應(yīng)力作用，摩擦產(chǎn)生的熱量使得顆粒承受熱應(yīng)力。當(dāng)SiC顆粒所受的綜合應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限而導(dǎo)致SiC顆粒發(fā)生斷裂，從加工表面剝離，產(chǎn)生表面坑洞現(xiàn)象。另外，隨著刀具推進(jìn)，SiC顆粒在基體內(nèi)的滑移和旋轉(zhuǎn)也會(huì)導(dǎo)致凹坑的形成。

從圖6加工過(guò)程可以看出，位于切削路徑上的顆粒在加工過(guò)程中受到非常不均勻的應(yīng)力作用，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到某一極限時(shí)，往往會(huì)發(fā)生顆粒的脆性斷裂。由于基體的塑性變形，以及顆粒位置的移動(dòng)，造成了切削表面的不平整，切削表面上出現(xiàn)微裂紋。

3 結(jié) 語(yǔ)

建立了SiCp/Al復(fù)合材料二維仿真模型，動(dòng)態(tài)模擬了切削加工中切屑形成及已加工工件表面形貌，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，空洞、裂紋的形成和擴(kuò)展在較大程度上影響了SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形態(tài)；加工過(guò)程中的應(yīng)力集中導(dǎo)致SiC顆粒破碎與剝離是SiCp/Al復(fù)合材料加工表面形成的重要因素；仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。