高體分SiCp/Al復合材料薄壁小孔鉆削工藝機理與實驗研究

高奇，荊小飛，李文博，郭光巖

高體分SiCp/Al復合材料薄壁小孔鉆削工藝機理與實驗研究

高奇，荊小飛，李文博，郭光巖

（遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001）

研究高體分SiCp/Al2024復合材料小孔鉆削表面質量和出入口棱邊缺陷形貌，為鉆削加工提供一定理論基礎。用ABAQUS軟件對薄壁板鉆削加工的整個過程進行三維仿真模擬，采用直徑為3 mm的PCD鉆頭對70%（體積分數）的SiCp/Al復合材料薄壁件進行鉆削，采用單因素實驗方案，通過改變主軸轉速和進給速度檢測復合材料已加工表面棱邊的缺陷，并通過鉆削實驗驗證有限元仿真的正確性。薄壁小孔鉆孔形成的過程中，表面會出現大量的凹坑、裂紋及劃痕。當主軸轉速為3000、4000、5000 r/min，進給速度f為0.05、0.1075、0.1 m/min時，小孔內表面的粗糙度隨主軸轉速和進給速度的增大而明顯降低。發現進給速度是影響鉆削棱邊缺陷質量的主要原因之一，隨著進給速度的增大，斷裂缺口的缺陷越明發顯，毛刺的高度和厚度逐漸增加，缺陷越發嚴重；主軸轉速對棱邊缺陷質量的影響較小，主軸轉速增大，顆粒與基體產生變形的現象較少，毛刺的高度和厚度也逐漸減小，材料脫離及斷裂缺口現象得到明顯改善。當主軸轉速為5000 r/min、進給速度為0.1 m/min時，加工表面較為光滑，材料的表面形貌較好，粗糙度為1.331 μm。棱邊缺陷隨進給速度的增大和主軸轉速的減小變得嚴重。

SiCp/Al復合材料；表面粗糙度；棱邊缺陷；鉆削仿真；單因素法

SiCp/Al復合材料是以SiC顆粒為增強相、鋁合金為基體的新型復合材料[1]，具有線膨脹系數低、熱導率高、密度小、耐磨性好、比強度和比剛度高等優點[2-3]。這種材料相比于纖維增強復合材料，易于制造，成本較低，在先進武器系統、汽車、光學精密儀器、電子封裝和體育用品等領域有廣闊的應用前景[4]。由于SiCp/Al復合材料中含有SiC硬顆粒[5]，導致SiCp/Al復合材料的切削加工性較差，從而限制了該材料的應用[6-9]。故掌握不同類型表面形貌的形成原因，對改善加工表面質量具有重要意義[10]。

高硬度脆性的SiC顆粒會導致車削、銑削、磨削、鉆削過程中刀具磨損加劇和加工表面缺陷激增[11]，國內外學者在這些方面做了大量研究。晏義伍等人[12]通過試驗和數值模擬，發現SiC顆粒的尺寸對SiCp/Al復合材料的力學行為有明顯影響。于曉琳、黃樹濤等人[13-14]對SiCp/Al復合材料薄壁圓弧板鉆孔時切削速度和進給量對變形的影響規律進行了研究，發現切削速度對變形影響不大，最大變形量隨進給量的增加而增大。趙鵬等人[15]研究了4.6 mm的PCD鉆頭鉆削56%（體積分數）的SiCp/Al復合材料時入口棱邊缺陷形貌及形成機理。南曉輝等人[16]用實驗加仿真的方法，研究了3 mm直徑小孔鉆削的入口棱邊缺陷形貌、形成機理，并對比了PCD鉆頭和硬質合金鉆頭加工內表面形貌、表面粗糙度和切屑形貌的問題。許幸新等人[17]使用不同材質的硬質合金麻花鉆，對兩種不同含量的SiC顆粒增強鋁基復合材料進行了普通鉆削與超聲振動鉆削的對比試驗。王澤誠等人[18]針對65%（體積分數）的SiCp/Al復合材料，研究了2 mm小孔鉆削的鉆孔機理和刀具性能。印度學者Basavarajappa等[19]利用正交試驗和方差分析的方法，研究了加工參數對鉆削力、表面粗糙度和毛刺高度的影響，得出進給量對加工質量的影響最為明顯。土耳其菲拉特大學的Tosun[20]對影響SiCp/Al復合材料表面粗糙度的工藝參數進行了統計分析，確定最重要的因素是進給量和刀具類型，并得到了最優的工藝參數。胡芳等人[21]針對高體分比的SiCp/Al復合材料進行研究，利用正交試驗和方差分析的方法研究了加工參數對鉆削力的影響及進出口缺陷的形成機理。孫素杰等人[22]研究了鉆孔過程中鉆削軸向力和扭矩的變化特性，以及不同主軸轉速和進給速度下鉆削軸向力和扭矩的變化規律，分析了不同主軸轉速下鉆屑形態的變化特性。通過以上分析可以看出，對于鉆孔工藝的研究對象大多都集中在中低體分的SiCp/Al復合材料上，工件較厚、孔徑較大，而對于高體分的SiCp/Al復合材料薄壁小孔的鉆削研究比較少。筆者采用單因素法對高體分的SiCp/Al復合材料薄壁小孔進行鉆削仿真和實驗，研究了各切削用量對表面完整性的影響規律，對切削工藝的探究提供了一定的借鑒[23]。

1 鉆削仿真

1.1 有限元模型的建立

實驗所使用的材料是SiCp/Al復合材料薄壁板，用ABAQUS軟件對切削加工的整個過程進行三維仿真模擬。把薄壁板定義成等效均質的模型，在ABAQUS有限元軟件中建模。鉆頭用Solidworks軟件建模，為簡化運行時的計算量，取包含刀具尖端在內的一部分用于仿真分析。薄壁件基本尺寸為30 mm×30 mm× 2 mm，刀具選用直徑是3 mm的直刃PCD鉆頭。在鉆削仿真中，把刀具設定成主動件，在薄壁板的中心處圍繞著軸按照順時針的方向進行旋轉，與此同時，沿著軸的負方向運動。薄壁板設定成從動件，將四個側面完全固定。鉆頭用C3D10M四面體網格，薄壁板用C3D8R六面體網格。三維圖、網格劃分及工件約束模型如圖1所示。

1.2 設置SiCp/Al復合材料屬性

本次實驗采取SiCp/Al 2024新型復合材料作為研究對象，其中碳化硅占比70%，增強基顆粒的大小在60 μm左右。工件材料的特性沒有將Al基體和SiC顆粒分別定義，本文按整體等效均質薄壁件來定義SiCp/Al復合材料。鉆頭是金剛石PCD刀具，將鉆頭設置成離散剛體。SiCp/Al 2024復合材料特性的部分參數如表1所示，Johnson-Cook參數數值如表2所示。

圖1 網格劃分及工件約束模型

1.3 鉆削仿真條件與方案

采用單一變量法來設計仿真實驗，PCD鉆頭的直徑為3 mm。主軸轉速、進給速度分別取3個水平，鉆削仿真實驗方案及切削參數如表3所示。

表1 SiCp/Al復合材料的屬性

Tab.1 Material properties of SiCp/Al composites

表2 SiCp/Al復合材料的Johnson-Cook本構模型參數

Tab.2 Parameters of Johnson-Cook constitutive model for SiCp/Al composites

表3 鉆削仿真實驗方案及切削參數

Tab.3 Drilling simulation experiment scheme and cutting parameters

1.4 仿真結果分析

1.4.1 工件變形及應力分析

在鉆孔過程中，工件會發生變形。當主軸轉速為4000 r/min、f為0.1 m/min時，得到不同時刻工件的變形云圖（圖2）、在不同時刻工件的應力云圖（圖3）以及仿真結束時的工件剖視圖（圖4）。

由圖2a、3a可以得到，刀具的橫刃剛接觸薄壁件的上表面時，其變形量的最大值是0.3 mm，應力最大為737.5 MPa；隨著鉆削的逐步進行，薄壁板的變形量及其最大應力逐漸變大。由圖2b、3b可以得到，在刀具的橫刃沒有穿透薄壁件時，其變形量最大為2.5 mm，應力最大為815.9 MPa。由圖2c、3c可以看出，當刀具的橫刃鉆到薄壁件的下表面時，其變形量最大值為4.0 mm，應力值開始有所減小，最大為774.7 MPa。由圖4可以看出，鉆削完成后，剩余的材料比較薄時，在軸向力和刀具橫刃擠壓的作用下，出口處形成了明顯的凸起，出現了擠壓、破碎的狀態，破碎后的材料在軸向的支撐力不足，使其出現了向下彎曲的趨勢，最后形成較大的毛刺，可以看到在工件底部孔的出口棱邊有明顯的毛刺。

圖2 不同時刻工件變形云圖

圖3 不同時刻工件應力云圖

圖4 仿真結束時的工件剖視圖

1.4.2 切削參數對進出口毛刺高度的影響

在鉆削過程中，毛刺嚴重影響了工件的裝配、工作性能以及工件的使用壽命[24-25]。在保證薄壁板長度、厚度、約束條件變量不變的情況下，分別研究不同的主軸轉速和不同的進給速度對出口毛刺的影響。鉆削模擬毛刺形貌如圖5所示。

對比圖5a、b、c可以看出，隨著主軸轉速的增大，毛刺的高度從0.3 mm逐漸減小至0.05 mm。主軸轉速的不斷增大，導致了摩擦的加劇，使切削區域的局部溫度變高、工件軟化、硬度減小。在刀具軸向力的影響下，撓曲變形量越來越小，剩余的沒有被切除的工件材料減少，使毛刺的尺寸變得越來越小。對比圖5b、d、e可以看出，隨著進給速度的增大，毛刺的高度從0.04 mm逐漸增大至0.25 mm，隨著進給速度的不斷增大，導致鉆削層的厚度不斷增加，使薄壁件的末端未能被完全切除，使最終得到毛刺的尺寸變得越來越大。

圖5 鉆削模擬毛刺圖

2 實驗

2.1 材料

以SiC為增強顆粒、鋁為基體的復合材料在電鏡下觀察結果如圖6所示。工件中含有SiC顆粒，其中增強基顆粒的粒徑在60 μm左右，這也正是該材料塑性及延展性較低的原因之一。

圖6 70% SiCp/Al復合材料的微觀組織結構

2.2 實驗裝置

實驗采用北京精雕立式加工中心Carver400GA數控機床，工件為薄壁件，規格為30 mm×30 mm× 1.5 mm，刀具選用直徑為3 mm的PCD鉆頭，鉆削方式是干式鉆削，試驗系統如圖7所示。

圖7 鉆削試驗系統圖

2.3 實驗方案

為了研究鉆孔過程中主軸轉速、進給速度的影響，針對內孔質量及進出口棱邊缺陷設計了一組單因素試驗，采用北京精雕立式加工中心Carver400GA數控機床，共加工9個孔，實驗參數如表4所示。

表4 鉆削實驗參數

Tab.4 Parameters of drilling experiment

2.4 檢測方案

在顯微鏡下觀察材料的進出口棱邊缺陷形貌。用線切割將材料分為兩部分，材料切削加工表面的粗糙度值使用真實色共聚焦顯微鏡測量，共檢測9組實驗數據；材料已加工表面和出口棱邊缺陷的微觀形貌使用Zeiss SIGMA 500場發射掃描電子顯微鏡觀察，分別得到2組、3組實驗數據。

3 結果及分析

3.1 切削參數對表面形貌及粗糙度的影響

圖8為進給速度f和主軸轉速對工件內孔表面粗糙度的影響規律。由圖8可以看出，主軸轉速是影響表面粗糙度最顯著的因素，當主軸轉速變大時，表面粗糙度的變化明顯，當主軸轉速為5000 r/min時，最小。進給速度對內孔表面粗糙度值的影響次之，隨進給速度值的增大，內孔已加工表面粗糙度的值變小，在進給速度f為0.1 m/min時，最小。通過圖8可以看出各因素對內孔表面粗糙度的影響，當主軸轉速為5000 r/min、進給速度為0.1 m/min時，加工表面較為光滑，材料表面形貌較好，為1.331 μm，表面粗糙度顯微結構及加工表面的三維形貌如圖9所示。

圖8 進給速度和主軸轉速對工件表面Ra值的影響規律

圖9 三維形貌

從圖10可以看出，鉆孔形成的過程中，表面會出現大量的凹坑、破碎的顆粒及劃痕。在鉆削過程中，鉆頭鉆到SiC顆粒周圍時，SiC顆粒四周的把持力比較弱，使SiC顆粒被拔出薄壁板的已加工表面，進而留下凹坑，如圖10中a所示。在鉆削工件時，顆粒和基體發生變形，使SiC顆粒部分破碎，壓入加工表面，如圖10中b所示。已加工表面的孔壁上有沿鉆頭旋轉方向移動、碾壓的痕跡，形成不同長度的劃痕，如圖10中c所示。工件表面的缺陷越多，工件的加工質量越差。

當主軸轉速為5000 r/min、進給速度為0.1 m/min時，得到圖11中測試點1、2的材質元素能譜。檢測點1、2是材料已加工表面中兩種不同的缺陷類型。檢測點1為SiC顆粒及切屑被壓入已加工表面的元素分布；檢測點2是已加工表面顆粒破碎處的元素分布，其主要元素為C、O、Al和Si。在檢測點1處可以看出，Al元素占比為14.46%，C元素占比為26.8%，Si元素占比為8.38%，可以判斷出鋁基表面附著的碳化硅顆粒壓入已加工表面。在檢測點2處可以看出，Al元素占比為3.49%，C元素占比為21.98%，Si元素占比為56.89%，可以看到破碎的SiC顆粒的材質元素，驗證了該復合材料是高體分的特性。加工前，原始表面的氧元素占比是18.72%，加工后占比是50.36%，證明鉆削后發生了氧化反應。

圖10 表面缺陷檢測

圖11 材料已加工表面材質元素檢測能譜圖

3.2 切削參數對進出口棱邊缺陷的影響

圖12是出入口的整體形貌。材料中SiC顆粒尺寸較大，體積分數較高，導致顆粒間的間距變小，所以使材料的內部有較大的應力集中，致使材料的出口側容易脆斷。通過觀察圖12a、b可以得到，鉆孔出口處棱邊的缺陷比入口處嚴重，在鉆頭鉆出工件時，棱邊上的材料沿切出時的方向從主體上分離，對脆性較大的復合材料而言，更容易造成表面部分材料脫離及斷裂缺口。

圖13為出口棱邊缺陷局部形貌。當為3000 r/min、f為0.05 m/min時，最大變形距離是60 μm；當為3000 r/min、f為0.075 m/min時，最大變形距離是40 μm；當為3000 r/min、f為0.1 m/min時，最大變形距離是20 μm。通過圖13a、b、c對比可以得出，進給速度對薄壁板棱邊缺陷形貌的影響較嚴重，隨著進給速度的增大，斷裂缺口的缺陷更能得到控制。因為速度越小，切削的時間就會相對變長，裂紋會擴展到小孔的外面一側形成大片缺口，SiC顆粒會發生脫落致使凹坑增多。在鉆削工件時，鉆頭和薄壁件的擠壓和切削使SiC顆粒和Al基體之間發生變形，在SiC顆粒和Al基體結合的地方會造成位錯堆積使應力集中。當切削速度比較大時，SiC顆粒和Al基體之間發生變形的情況較少，材料脫離及斷裂缺口現象得到明顯的改善，出口孔質量較好。

圖12 出入口整體形貌圖

圖13 出口棱邊缺陷局部形貌圖

4 結論

1）在鉆削工件時，刀具的橫刃在沒有穿透薄壁板但到達下表面時，變形最大。隨著刀具前進，鉆削逐步進行，薄壁板變形量隨刀具的橫刃鉆到它的下表面時達到最大，薄壁板的應力在刀具的橫刃未穿透工件時增大，之后隨鉆頭鉆出工件時減小。

2）在鉆削工件時，保持進給速度不變，當主軸轉速增大時，表面粗糙度的值減??；保持主軸轉速不變，隨進給速度逐漸變大，表面粗糙度的值越來越小。在本實驗中，表面粗糙度的最優參數組合是主軸轉速為5000 r/min、進給速度為0.1 mm/min。此時表面質量較好，為1.331 μm。

3）鉆孔形成的過程中，表面會出現大量的凹坑、破碎的顆粒及劃痕。在對工件進行鉆孔的過程中，因為SiC顆粒會發生一系列的旋轉、移動，進而得到不連續的孔洞，使工件的加工表面質量較差。

4）通過對仿真和實驗的結果進行對比得出，鉆孔出口處的棱邊缺陷比入口處的棱邊缺陷嚴重。主軸轉速增大，毛刺的高度逐漸減小；進給速度越大，毛刺的高度逐漸增加，進出口孔棱邊缺陷越嚴重。

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Mechanism and Experimental Study of Thin Wall Hole Drilling Technique of High Volume Fraction SiCp/Al Composites

,,,

(School of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

The work aims to study the surface quality of high volume fraction SiCp/Al 2024 composite hole drilling and the edge defect morphology of entrance and exit, and to provide a theoretical basis for drilling. ABAQUS software is used to simulate the whole process of drilling on thin wall plate. A PCD bit with a diameter of 3 mm is used to drill the SiCp/Al composite thin wall parts with a volume fraction of 70%. A single factor experiment scheme is used to detect the edge defects of the machined surface of the composite by changing the spindle speed and feed speed. The correctness of finite element simulation is verified by drilling experiment. There are a lot of pits, cracks and scratches on the surface during the drilling of thin-wall holes. When the spindle speedis 3000 r/min, 4000 r/min and 5000 r/min; the feed speedfis 0.05 m/min, 0.1075 m/min and 0.1 m/min, the roughness of the inner surface of the small hole is obviously improved with the increase of the spindle speed and feed speed. The feed speed is one of the main reasons to affect the quality of drilling edge defects. With the increase of feeding speed, the defect of fracture notch becomes more obvious, and the height and thickness of burr gradually increase, and the defect becomes more serious. The influence of the spindle speed on the quality of the edge defect is small. The larger the spindle speed is, the deformation between the particle and the matrix is less, the height and thickness of the burr gradually decrease, and the material disconnection and fracture notch phenomenon are obviously improved. When the spindle speed is 5000 r/min and the feed speed is 0.1 m/min, the machined surface is smooth, the surface morphology is good, and the roughness is 1.331 μm. The edge defect becomes more serious with the increase of feed speed and the decrease of spindle speed.KEY WORDS: SiCp/Al composites; surface roughness; edge defect; drilling simulation; single factor method

2021-06-28；

2021-09-23

GAO Qi (1981—), Male, Ph. D., Associate professor, Research focus: mechanical CAD/CAM, precision and ultra-precision machining.

高奇, 荊小飛, 李文博, 等. 高體分SiCp/Al復合材料薄壁小孔鉆削工藝機理與實驗研究[J]. 表面技術, 2022, 51(1): 202-211.

TG52；TH161

A

1001-3660(2022)01-0202-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.021

2021-06-28；

2021-09-23

國家自然科學基金（51905083）；遼寧省博士啟動基金（2019-BS-123）；遼寧省興遼人才計劃XLRC（1907122）

Fund：National Natural Science Foundation of China (51905083), Liaoning Province Doctoral Startup Fund (2019-BS-123), Talent Plan for Xingliao in Liaoning Province XLRC (1907122)

高奇（1981—），男，博士，副教授，主要從事機械CAD/CAM、精密與超精密加工。

GAO Qi, JING Xiao-fei, LI Wen-bo, et al. Mechanism and Experimental Study of Thin Wall Hole Drilling Technique of High Volume Fraction SiCp/Al Composites[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 202-211.