SiO2/HDPE復(fù)合材料切削仿真與試驗(yàn)研究

史賀飛，于保軍，賈志遠(yuǎn)，于浩

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司，吉林 吉林 132000）

0 引言

聚合物基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能而在各種工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這促使研究人員對(duì)聚合物復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛的研究[1]。聚合物基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高、功能性強(qiáng)、加工性能好、抗振性好等優(yōu)點(diǎn)[2]，被應(yīng)用在隔離材料、航空航天零部件、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、汽車、運(yùn)輸、家庭常用品，此外也應(yīng)用于特殊部件（飛機(jī)機(jī)翼、渦輪葉片等）[3]，逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡牟牧希蟹浅４蟮陌l(fā)展前景。

顆粒增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（Particle Reinforced Polymer Matrix Composites，簡(jiǎn)稱PRPMCs）是一種新型高分子復(fù)合材料，是指在聚合物基體中添加金屬氧化物、金屬粉末、陶瓷、非金屬氧化物或天然填料等增強(qiáng)顆粒，比如二氧化硅、二氧化鈦、礦物顆粒、氧化鋁或氧化鋅等[4]。

聚乙烯（Polyethylene，簡(jiǎn)稱PE）是乙烯經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)合成的一種熱塑性材料，成本低、易加工、耐化學(xué)腐蝕，是樹(shù)脂材料中產(chǎn)量最多的一種聚合物，已經(jīng)成為世界上第三種廣泛使用的塑料。高密度聚乙烯（HDPE）是聚乙烯材料中的一種，具有易于成型、成本低、密度高、硬度高等特點(diǎn)[5]，密度通常在0.942～0.965 g/cm3之間[6]，通常應(yīng)用于制造機(jī)械包裝、剛性容器、管道及汽車工業(yè)等。

SiO2是一種無(wú)定形材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，它以硅酸聚合物的形式存在，應(yīng)用廣泛，通常來(lái)看，無(wú)機(jī)材料SiO2相比于聚合物具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，因此可以作為增強(qiáng)顆粒填料應(yīng)用于復(fù)合材料中，用于提高材料的剛度、屈服強(qiáng)度、斷裂韌性，改善不同聚合物的力學(xué)性能。SiO2與聚合物能夠產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，賦予復(fù)合材料新的性能，因而在多功能材料的方向具有巨大的潛力[7]。

SiO2/HDPE復(fù)合材料因其具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)等性能，已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注[8]，增強(qiáng)顆粒的加入提高了材料的力學(xué)性能，但是會(huì)使得材料的可加工性降低，因此研究其切削加工性能具有重要的意義。

復(fù)合材料切削加工經(jīng)歷復(fù)雜的變形過(guò)程，成本高、周期漫長(zhǎng)。隨著有限元仿真技術(shù)在切削加工模擬中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在材料切削加工、優(yōu)化切削加工參數(shù)起到了不可替代的作用[9]。本文采用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)SiO2/HDPE復(fù)合材料進(jìn)行二維正交切削仿真，使用Python算法建立隨機(jī)顆粒分布，并進(jìn)行材料切削加工試驗(yàn)，觀察其加工性能。

1 材料本構(gòu)參數(shù)

材料在切削加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)彈塑性變形，涉及到溫度、應(yīng)變率、摩擦熱等。Johnson-Cook本構(gòu)模型可以完美描述材料在切削加工過(guò)程中材料的變形過(guò)程，其表達(dá)式如下：

式中：σ為等效應(yīng)力；A為材料在室溫和參考應(yīng)變率下的屈服應(yīng)力；B為硬化模量；n為硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率強(qiáng)化常數(shù)；ε.為等效塑性應(yīng)變率；ε.0為材料參考應(yīng)變率（取0.001 s-1）；Troom、Tmelt分別為室溫（取20 ℃）和材料熔化溫度（取130 ℃）；m為熱軟化常數(shù)。

通過(guò)高密度聚乙烯準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和霍普金森壓桿試驗(yàn)得到材料力學(xué)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)擬合得到高密度聚乙烯材料Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)，如表1所示。

表1 J-C本構(gòu)方程參數(shù)表

SiO2被認(rèn)為是各向同性材料，且加工過(guò)程中不考慮其斷裂，刀具選用CW硬質(zhì)合金刀具。其切削仿真中所用材料基本參數(shù)如表2所示。

表2 切削仿真中所用材料基本參數(shù)

2 切削仿真模型的建立

工件仿真采用mm單位制，工件尺寸為10 mm×6 mm，顆粒直徑為0.2 mm，刀具前后角均為10°，刀尖圓弧半徑為0.2 mm，工件設(shè)置切削區(qū)域和非切削區(qū)域，且只在切削區(qū)域內(nèi)生成隨機(jī)顆粒，這樣可以減少網(wǎng)格的數(shù)量，大大降低仿真所需要的時(shí)間，提高仿真效率。裝配時(shí)，需要在刀具與工件間設(shè)置一定間隙，防止切削過(guò)程中產(chǎn)生干涉，影響仿真效果，裝配及網(wǎng)格模型、接觸約束及加載設(shè)置如圖1所示。

圖1 隨機(jī)顆粒切削裝配模型

3 切削仿真分析

3.1 切削仿真過(guò)程分析

圖2為SiO2/HDPE 復(fù)合材料在ap=0.4 mm、v=60 m/min 下的切削仿真中切削力的變化過(guò) 程。 在t =0.36 ms時(shí)，刀具剛剛切入工件，切削力主要集中在第一變形區(qū)；刀具繼續(xù)切削，當(dāng)遇到顆粒時(shí)，切削力增大，顆粒被擠壓，最大應(yīng)力出現(xiàn)在顆粒附近；在t=3.786 ms時(shí)，切削路徑上方的顆粒在拉壓應(yīng)力的作用下被剝離，切屑發(fā)生斷裂；在t=9.21 ms時(shí)，切削路徑上的顆粒在刀具的作用下被剝離出基體，在已加工表面留下空穴。

圖2 復(fù)合材料切削過(guò)程

3.2 切削速度對(duì)切削力和切削溫度的影響

圖3為在不同切削深度下切削力和切削溫度隨切削速度的變化曲線，從圖3上可以看出，切削力隨著切削速度的增大呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)，且切削深度越大，切削力越大，主要因?yàn)榍邢魉俣鹊脑龃髮?dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)刀具切除的切屑體積更大，與刀具的摩擦加劇，溫度升高。當(dāng)切削速度增加到一定值時(shí)，切削溫度更高，使得聚乙烯基體發(fā)生軟化，材料剪切強(qiáng)度降低，所以切削力減小。由圖3（b）可以看到，切削溫度隨切削速度增大而增大，主要因?yàn)榍邢魉俣鹊纳邔?dǎo)致刀具與切屑的摩擦加劇，而且聚乙烯基體熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，熱量來(lái)不及傳導(dǎo)，最終切削溫度升高。

圖3 切削力和切削溫度隨速度的變化

4 切削試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)采用銑床對(duì)SiO2/HDPE 進(jìn)行切削試驗(yàn)，試驗(yàn)中切削深度ap為2 mm，切削速度v為60、90、120、150 m/min，使用AMETEK 旗下ZYGO 的3D 光 學(xué)輪廓儀測(cè)量已加工表面粗糙度，測(cè)量結(jié)果如圖4 所示。從中可以看出，在其他加工參數(shù)一定的情況下，表面粗糙度隨著切削速度的增加而降低，即SiO2/HDPE 復(fù)合材料切削表面質(zhì)量隨著切削速度的增加而逐漸變好，切削速度可以提高其表面質(zhì)量。

圖4 切削加工表面粗糙度

5 結(jié)論

1）使用Johnson-Cook本構(gòu)建立SiO2/HDPE復(fù)合材料二維隨機(jī)顆粒切削模型，模擬了切削過(guò)程，分析切削過(guò)程中切削力的變化。

2）研究發(fā)現(xiàn)，切削力隨切削速度的增大而呈現(xiàn)先增大、后降低的趨勢(shì)，切削溫度隨切削速度的增加而出現(xiàn)升高的趨勢(shì)。

3）通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行加工試驗(yàn)，測(cè)量已加工表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)切削速度可以改善復(fù)合材料加工表面質(zhì)量。