SiCp/Al復合材料的車削仿真研究

孔林雁， 吳建民

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

鋁基碳化硅復合材料不僅具有較高的強度、硬度和比較好的耐腐蝕性、耐疲勞性等物理特點，還具有尺寸穩定性良好的優點，已經在航空航天、軍事和醫學等領域得到了廣泛的應用[1]。由于鋁基碳化硅材料的特殊性質，其加工性受到了很多學者的關注。楊帆等[2]討論了斜角切削SiCp/Al復合材料的模擬仿真過程，孫素杰等[3]使用ABAQUS/Explicit的分析方法，對高體積分數SiCp/Al復合材料進行建模和二維正交微細切削，研究了在不同刀具前角和切削厚度下，材料的變形、切屑的形成機理以及切削力的變化規律。洪蘭東等[4]利用ABAQUS軟件，進行仿真研究SiCp/Al復合材料薄壁件車削加工變形。夏曉東等[5]使用 ABAQUS 有限元分析軟件，建立三維仿真模型來動態模擬車削過程，分析了顆粒在刀具作用下破碎的過程，研究了加工表面質量的影響因素；在不同切削深度下，分析了刀具相對于顆粒的位置變化對已加工表面質量的影響。王進峰等[6]對SiCp/Al復合材料使用有限元仿真與車削加工實驗相結合的方法，研究了在不同切削參數下切削力的變化規律；然后將有限元仿真的結果和車削實驗的結果進行比較，驗證了有限元分析方法的有效性和準確性。切削加工過程的有限元分析是計算機仿真技術在機械制造業的重要應用，通過各種仿真軟件建立合適準確的有限元模型，可以方便快速地模擬切削過程切屑的形成機理，分析各種材料應力、應變場的變化規律；建立切削力的經驗公式，了解切削溫度的分布狀態等，特別是一些在實際工業生產中難以加工且加工成本較高的復合材料；使用這種技術對減少成本、縮短產品制造周期和提高產品質量意義重大[7-9]。課題組基于ABAQUS軟件，設計了SiCp/Al復合材料二維切削仿真模型，探究在不同切削參數下，鋁基碳化硅復合材料切削力的變化規律。

1 建立仿真模型

課題組利用ABAQUS軟件建立刀具模型、Al基體和SiC顆粒部件模型，如圖1所示。圖中PP-1為刀具的剛體參考點，工件為長1.0 mm，寬0.5 mm的矩形，其中SiC顆粒半徑為20.0 μm，其體積分數大約為整個工件的56%。

圖1 工件和刀具模型Figure 1 Workpiece and tool model

切削過程在有限元分析中是一個動態、非線性并且存在熱力耦合的復雜過程，像沖擊和爆炸等短暫、瞬態問題，利用ABAQUS/Explicit求解器解決是非常合適的；同時它對高度非線性問題的求解也是很高效的。因此本模型可以設置ABAQUS/Explicit動態-顯式溫度位移耦合分析步[10]。

在模型中將SiC顆粒周圍的基體材料網格進行細化(如圖2所示)，方便研究在切削過程中SiC顆粒與Al基體之間應力分布的情況。對基體和顆粒分別進行網格劃分，二者網格單元類型選擇CPE4RT。將刀具設置為剛體，即在整個仿真過程中刀具不發生變形。設置刀具的最小網格尺寸應該大于工件的最大網格尺寸，保證模型網格尺寸平均小于顆粒網格尺寸，這樣可以保障仿真的精度以及合理性[11]。

SiC顆粒與Al基體材料之間采用Tie綁定約束，設置刀具與工件之間的接觸為面-面接觸。其中，主面為刀具的表面，從面為工件的結點。刀具與工件之間存在切向摩擦和法向摩擦，通常將切向摩擦定義為“罰”摩擦，摩擦因數設置為0.2；而法向摩擦稱為“硬”摩擦，用來避免仿真過程中出現刀具與工件穿透現象。在金屬切削的過程中，由于刀具的硬度、強度遠高于工件，常常對刀具設置剛體，用來提高仿真的效率[12]121-123。對工件下邊單元集和左邊單元集進行約束。將工件固定，給刀具設置一個向左切削速度，模擬刀具由右向左切削工件如圖2所示。

圖2 設置接觸和載荷Figure 2 Setting contact and load

在Property模塊中輸入相應的材料參數，如表1所示[13]。工件材料是SiCp/Al 復合材料，根據材料力學可知，Al基體是一種熱彈塑性材料，而增強相成分SiC顆粒可以看作一種線彈性材料，分別輸入材料參數可以更加準確地模擬切削過程。

表1 切削仿真中所用材料的參數

2 材料本構模型和斷裂準則

Al是一種熱塑性材料，在切削過程中，工件材料常常處在高溫、大變形和大應變率的情況下發生彈塑型應變，考慮各種因素(如應變、應變率和熱軟化)對材料硬化應力的影響，故可以采用Johnson-Cook本構方程進行描述[12]80，其具體形式：

(1)

Al合金基體的Johnson-Cook參數如下表2所示[14]。

表2 Al合金基體的Johnson-Cook參數

為描述鋁合金基體材料的切屑分離過程，將采用Johnson-Cook斷裂準則，在刀具幾何角度變化的情況下，Johnson-Cook斷裂準則能夠非常穩定地描述金屬材料的斷裂、分離和失效過程[15]。SiC顆粒材料可看作線彈性材料，遵循廣義胡克定律。鋁合金基體材料的失效演化起始可以用標量D來衡量，當等效塑性應變為1時，材料開始出現失效現象。D的表達式為

(2)

(3)

式中：d1～d5為材料失效參數，其值如表3所示[16]。

表3 Al合金基體的Johnson-Cook斷裂準則失效參數

3 仿真結果分析

保證其他條件一致，分別改變切削速度與刀尖圓弧半徑2個加工參數，分析仿真加工過程中，切削力的變化情況。切屑的形狀在整個切削過程中發生變化，如圖3所示。

圖3 切削仿真過程Figure 3 Cutting simulation process

分析切削過程4個時刻的切屑以及內部應力的變化過程，可知：①在Ⅰ時刻，刀具切削刃切入Al基體，工件中基體材料會受到刀具前面的擠壓和切削發生塑性變形，出現剪切帶；②在Ⅱ時刻，SiC顆粒與Al基體之間的基體面形成剪切滑移面，隨著刀具的進給，含有SiC顆粒的切屑從工件上分離出來；③在Ⅲ時刻，工件上出現了明顯的切屑，并且一部分SiC顆粒會聚集在刀具的前面；④在Ⅳ時刻，SiC顆粒與刀具直接接觸，使其周圍的Al基體材料從整個工件分離出來，產生了一定的孔隙，最終形成了鋸齒狀的切屑，從工件上脫落。在整個切削過程中，顆粒隨著刀具的進給運動而不斷變化位置，當顆粒與刀具接觸時，由于顆粒具有較大的剛性，顆粒將會受到擠壓，從圖3(c)和(d)時刻可以看到顆粒被壓入基體，導致已加工表面出現缺陷；刀具繼續運動，當達到顆粒的最大應力值時，顆粒破碎，與刀具共同作用，將工件已加工表面磨損。

3.1 不同刀尖圓弧半徑對切屑以及切削力的影響

在切削深度為0.1 mm，切削速度84 m/min下，通過改變刀具的刀尖圓弧半徑，分析該刀具參數對切削力的影響。刀具的幾何參數如表4所示。

表4 切削仿真中刀具的幾何參數

如圖4所示，其他條件不變時，切削力會隨著刀尖圓弧半徑的增大而增大，當增大刀尖圓弧半徑時，刀具前面對于工件材料的擠壓作用增強，從而增大了切削力。切削鋁基碳化硅復合材料應該使用適當的刀具，可以保證切削的順利進行，從而獲得質量更好的產品。

圖4 切削力隨著刀尖圓弧半徑的變化Figure 4 Change of cutting force with tool tip radius

3.2 不同切削速度對于切削力的影響

在刀具幾何參數不變的條件下，即刀具前角0°，刀具后角5°，刀尖圓弧半徑10 μm時，根據表5的切削用量進行仿真，可以得到如圖5～7所示主切削力的變化規律。

表5 切削仿真中使用的切削參數

圖5 切削速度為65 m·min-1時主切削力變化情況Figure 5 Variation of cutting speed and main cutting force in 65 m·min-1

圖6 切削速度為84 m·min-1時主切削力變化情況Figure 6 Variation of cutting speed and main cutting force in 84 m·min-1

圖7 切削速度為100 m·min-1時主切削力變化情況Figure 7 Variation of cutting speed and main cutting force in 100 m·min-1

從圖5～7可以看出：主切削力隨著切削速度的增加，其波動更加明顯，而且波動的頻率增加，即波動的周期減小。在整個切削過程中，刀具會先后與Al基體、SiC顆粒接觸。由前述可知SiC顆粒是一種線彈性材料，當切削速度較低時，刀具與SiC顆粒接觸會產生較小的動能，隨著切削速度的增加，刀具對SiC顆粒會有很大的沖擊碰撞；同時，當其他條件不變的情況下，增加切削速度時，會快速產生切屑，刀具與SiC顆粒接觸頻繁，因此會出現切削力的波動頻率增加。在切削過程中，鋁基碳化硅增強復合材料的切屑很短，隨著切削速度的增加，且切屑會變得更短，因此，當切屑從工件分離出來的時候，其與刀具的壓力就會變小，從而與刀具的摩擦力減小，因此，當增加切削速度時，切削力會減小。

4 結論

課題組采用有限元仿真有效地模擬了SiCp/Al復合材料的切削過程，仿真結果表明：切削力隨著刀尖圓弧半徑的增大而增大，隨著切削速度的增大而波動明顯；加工表面質量主要受顆粒的壓入、破碎等因素影響。

本研究中還存在以下局限：①模型中只設置顆粒與基體綁定，未考慮顆粒與鋁基體材料內聚界面之間的增強因素，仿真結果與實際車削結果存在偏差；②模型中設置增強相為均勻分布的圓形規則顆粒，與實際材料中的顆粒情況有出入。因此，今后需要進一步完善模型，建立更符合實際的仿真模型來分析顆粒增強型金屬基復合材料力學性能。