基于AdvantEdge的石墨烯/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料切削力研究

劉伯濤，水 麗，張 凱

（沈陽理工大學機械工程學院， 遼寧 沈陽 110159）

引言

隨著軍工制造、航空航天、汽車電子等領域對材料的要求越來越高，鋁基復合材料以其低密度、低膨脹、耐磨損、導熱性好及復合材料制備工藝靈活等優(yōu)異的綜合性能，獲得廣泛應用[1-2]。石墨烯Graphene Nanoflakes（GNFs）是碳原子以sp2雜化鏈接的六角形蜂巢狀結構的二維材料，因此具有高強度、高硬度及導熱率高等優(yōu)點，將其與鋁合金結合制備鋁基復合材料 Aluminum Matrix Composites（AMCs），研究發(fā)現(xiàn)石墨烯鋁基復合材料在提高材料強度的同時也兼有良好的塑韌性[3]。文獻報道的石墨烯復合材料的研究主要集中在聚合物基體上，而金屬基的研究并不多，尤其是石墨烯增強鋁基復合材料才剛剛起步。因此石墨烯增強鋁硅基復合材料具有廣闊的發(fā)展前景，亟需開展下一步的研究工作。

復合材料的銑削包含復雜的熱、力、機械及其耦合現(xiàn)象，是一個復雜的高度非線性問題。單純的依靠實驗手段，不但耗時費力，而且加工過程中的溫度、切削力、應變等也難以準確獲得[4]。基于有限元理論Finite Element Method（FEM），運用計算機技術可再現(xiàn)刀具和工件相對運動的過程，克服實驗中間過程的缺陷，成為研究復合材料銑削加工的有效方法[5]。吳文政[6]利用有限元軟件Abaqus對石墨烯/Al基復合材料進行力學仿真。研究發(fā)現(xiàn)，隨著石墨烯含量的增加，增強體應力略有增強，而基體應力逐漸減小。Z.Yang[7]采用彈-剛性耦合有限元模擬高速切削過程。李寶棟[8]使用AdvantEdge模擬鈦合金切削，建立的主切削力二次響應回歸數(shù)學模型擬合效果顯著，且計算結果與車削實驗結果誤差小于14%。

本文采用AdvantEdge有限元軟件，對石墨烯/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料進行仿真計算。試驗首先利用粉末冶金法，經過熱壓燒結制備石墨烯增強鋁硅基復合材料。然后分別對石墨烯質量分數(shù)為0.25%、0.5%的Al-15Si-4Cu-Mg復合材料進行不同切削用量下的單因素實驗。最后結合銑削實驗與有限元仿真模擬，分析切削用量與切削力之間的關系，并探討石墨烯含量對切削力幅值波動的影響，這對后續(xù)研究和實際生產具有重要指導意義。

1 試樣制備

為探究石墨烯及其切削參數(shù)對石墨烯增強鋁硅基復合材料銑削力的影響，設計石墨烯含量不同的兩組樣品，試驗所用少層石墨烯厚度為2.5 nm，石墨烯的碳原子層數(shù)約為10。材料成分如表1所示。

表1 GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料化學成分表%

采用球磨混料法，將表1所示成分裝入混料罐中，加入球料質量比為8∶1的氧化鋯陶瓷球，固定在WAB公司生產的Turbula混合機上混料，間歇球磨分散時間為72 h，球磨機轉速為40 r/min。粉末經充分混勻后，放入真空熱壓鉬絲爐（ZR-6-8Y）中進行燒結，燒結溫度為570℃，燒結時間1.8 h，隨后水循環(huán)冷卻至爐溫低于200℃后，隨爐冷卻。兩組樣品經T4（固溶+時效）熱處理后，便獲得石墨烯質量分數(shù)分別為0.5%、0.25%的兩組樣品。

2 切削實驗與有限元仿真

2.1 切削試驗

銑削試驗在DX-600型立式銑床上進行，刀具采用YG6X硬質合金立銑刀，銑刀齒數(shù)為4，刀具直徑為8 mm，刀具前角γ為-15°，刀具后角α為15°，刃部長度為20 mm，螺旋角為35°。將工件固定在Kistler9275B三向切削力測力儀上，經YE5850型電荷放大器和INV3018型數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C。

為研究石墨烯含量和切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，本文選定切削速度、切削深度和石墨烯含量三個變量因素，每次實驗選取兩個水平變量，實驗參數(shù)如表2所示。

表2 銑削實驗參數(shù)

2.2 有限元仿真

2.2.1 材料的本構模型

材料的本構模型通常用溫度、應變、應變率之間的函數(shù)表示，目前常用的描述材料熱-彈塑性關系的模型主要有：Johnson-Cook模型、power-law模型、Litonski-Batra模型和Bodner-Parton模型。與其他幾種模型相比，Johnson-Cook模型綜合考慮了熱軟化、應變及應變率等因素，適應于不同的材料，涉及的參數(shù)少且易于通過實驗和查表獲得[9]。本文使用Advantage軟件仿真時即采用此模型，數(shù)學表達式為[10]：

表3 Johnson-Cook本構模型參數(shù)值

2.2.2 網格劃分

模型網格劃分是進行數(shù)值計算非常關鍵的一步，網格質量的好壞，會影響計算結果的準確性[11]。因此為得到最優(yōu)化網格，采用自適應網格重劃分技術，劃分工件參數(shù)為：最大網格單元尺寸1.2 mm，最小網格單元尺寸0.15 mm，網格劃分等級G取0.53，G值決定了靠近切削刃處網格由粗到細轉換的快慢過程。本文建立的銑刀模型按實際銑刀建立，劃分刀具網格控制參數(shù)為：最大刀具網格單元尺寸為0.3 mm，最小刀具網格單元尺寸為0.03 mm，網格劃分等級G同樣取0.53。

2.2.3 材料屬性

GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg中的石墨烯納米片厚度為2.5 nm，且復合材料經過球磨分散、燒結工藝后，石墨烯會均勻地分布在鋁基體內。可以將其視為宏觀上的均質材料，為下一步的銑削仿真奠定基礎。GNFs/Al-15Si基復合材料的相應的物理參數(shù)見表4。

表4 GNFs/Al-15Si復合材料物理屬性

3 結果分析

3.1 銑削過程仿真分析

以石墨烯質量分數(shù)為0.25%，切削速度Vc為25 m/min，進給速度Vf為150 mm/min，切削深度選ap以1 mm為例，在AdvantEdge中建立銑削三維模型。下頁圖1-1、1-2展現(xiàn)出刀具和工件在不同階段的應力云圖，圖1-3是工件去掉網格的應力云圖。

從圖1-1、1-2可以看出銑刀切入工件，銑刀前刀面與工件相互作用形成切削的分離過程。當銑刀的切削刃接觸到工件時，被切削材料受到較大應力引起塑形變形，銑刀的前刀面與發(fā)生塑形變形的材料相互擠壓，銑刀刀刃附近的最大應力達到1 085 MPa左右，而工件受到剪切應力和沖擊載荷，最大應力幅值達到 750MPa左右，超過GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料剪切應力臨界值，導致材料分離、斷裂，形成切屑。下頁圖1-3是切削過程中工件上的應力云圖，隨著切削過程的進行，最大等效應力在切削刃處向四周擴散，面積逐漸擴大，當突破剪切帶后，切削刃處的等效應力反而減小，這是由于隨著材料進一步變形出現(xiàn)了熱軟化現(xiàn)象，工件材料承受的應力減小。

3.2 仿真與實驗結果分析

3.2.1 實驗驗證

在石墨烯質量分數(shù)為0.5%，Vc為25 m/min，Vf為150mm/min，ap為 1mm條件下，GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料實驗和仿真的主切削力結果如下頁圖2所示。通過計算模擬值與實驗值的平均誤差為12.4%、最大誤差25.3%，仿真曲線與實驗曲線雖然有一定的差值，但是總體上變化趨勢趨于一致，說明有限元仿真結果可為生產實踐提供參考依據(jù)。

圖1 0.25%GNFs/Al-15Si復合材料切削過程

圖2 切削力時域曲線

3.2.2 切削深度對切削力的影響

選取切削速度Vc為25 m/min，進給速度Vf為150 mm/min，切削深度選0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm時，兩種GNFs/Al-15Si-4u-Mg復合材料的主切削力隨切削深度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同石墨烯含量下切削力隨切削深度變化曲線

從仿真切削力曲線與實驗切削力曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，切削深度對切削力有顯著影響。雖然這兩種切削力的測試方法存在著誤差，但是兩者的切削力曲線存在相似的變化趨勢，即隨著切削深度的增加，切削力呈遞增的趨勢。這是因為切削深度增大，刀具會在單位時間內承受更大面積材料的阻礙，從而使克服材料塑性變形的力增大，同時切屑與前刀面的接觸面積也會隨之增大，摩擦力增大，這兩個因素綜合在一起使銑削力增大。

3.2.3 切削速度對切削力的影響

以切削深度ap為1 mm，進給速度Vf為150mm/min，切削速度Vc為 25 m/min、40 m/min、60 m/min時，兩種GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料的主切削力隨切削速度的變化曲線如下頁圖4所示。

從圖中可以看出，主切削力Fx隨著切削速度Vc的遞增出現(xiàn)下降的趨勢。當切削速度增加時，切削區(qū)溫度升高，容易造成材料熱軟化，降低了切屑形成的阻力和硬質相對基體材料的耕犁作用力，同時也降低了硬質相的位移阻力，材料更容易去除，從而減小切削力。此外，由于切削速度相對偏低，切削區(qū)溫度不高，增加的溫度不足以使基體材料產生明顯的熱軟化，所以造成主切削力對切削速度的變化不敏感。

3.3 石墨烯含量對主切削力的影響

當切削速度Vc=25 m/min，切削深度ap=0.5 mm，進給速度Vf=150 mm/min時，石墨烯含量為0.25%和0.5%的主切削力的正態(tài)分布圖，如圖5所示。

圖4 不同石墨烯含量下切削力隨切削速度變化曲線圖

圖5 主切削力正態(tài)分布圖

通過正態(tài)分布圖定量計算這兩種材料主切削力的期望u和標準差σ如表5所示。

表5 期望u和標準差σ值

由表5可知，在相同的切削條件下，u1＞u2據(jù)此可以判斷，石墨烯的含量與石墨烯增強鋁硅基復合材料的銑削力有關，提高石墨烯的添加量有利于提高復合材料的硬度，材料的硬度越高銑削力就越大；但是u1＜u2，相比較而言，0.5%GNFs/Al-15Si復合材料的切削力波動小，切削過程較為平緩，說明增加石墨烯的含量可以降低切削力的波動性。

分析認為，產生波動的原因是由于復合材料的微觀組織中硅顆粒、金屬間化合物等硬質相的存在造成，當?shù)度星邢鞯捷^硬組織時，切削力會出現(xiàn)不同程度的跳動，造成力的波動。石墨烯的添加細化了組織和晶粒，降低了刀具對金屬間化合物和硬質顆粒的沖擊作用，使得切削過程變得平穩(wěn)。

4 結論

本文針對石墨烯質量分數(shù)分別為0.25%、0.5%時，GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料在不同切削用量下的單因素實驗，分析出如下結論：

1）通過實驗結果與仿真模擬的切削力進行對比，驗證GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料的三維有限元仿真的適用性。研究發(fā)現(xiàn)兩組樣品隨著切削深度的增加，主切削力增大；隨著切削速度的增加，銑削力減小。相比切削速度，切削深度對Fx影響最為敏感。

2）石墨烯的添加增大了切削力，但是減小切削過程中切削力的波動，降低刀具振動。這是由于石墨烯的添加細化了組織和晶粒，使得界面結合力增強，改善切削平穩(wěn)性。