超聲振動(dòng)鉆削SiCp/Al復(fù)合材料有限元仿真分析

付宏鴿　何廣騰　白帆　孫青杰　郝辰洪

【摘? ?要】? ?SiCp/Al復(fù)合材料是一種優(yōu)異的輕質(zhì)高強(qiáng)材料，超聲振動(dòng)鉆削與普通鉆削相比切削加工效果好，可有效減少切削力、切削熱，提高工件的加工質(zhì)量。采用大型有限元仿真軟件Abaqus建立軸向超聲振動(dòng)鉆削仿真模型，對(duì)超聲振動(dòng)鉆削過程中的應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果顯示軸向超聲振動(dòng)鉆削能有效降低SiCp/Al復(fù)合材料加工時(shí)的應(yīng)力。仿真結(jié)果表明，軸向振動(dòng)鉆削能夠減小鉆孔過程中的應(yīng)力，減小斷屑寬度，為SiCp/Al復(fù)合材料切削加工提供技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】? ?SiCp/Al復(fù)合材料;超聲振動(dòng)鉆削;有限元仿真;加工應(yīng)力

Finite Element Simulation of Axial Vibration Drilling SiCp/Al

Fu Hongge He Guangteng Bai Fan Sun Qingjie Hao Chenhong

（1.North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China;

2.Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China）

【Abstract】? ? SiCp/Al is an excellent light and high strength material. Compared with ordinary drilling， ultrasonic vibration drillings cutting effect is better， which can effectively reduce the cutting force and cutting heat and improve the processing quality of the workpiece. In this paper， finite element simulation software of Abaqus is adopted to establish the axial ultrasonic vibration drilling， a simulation model of the stress in the process of ultrasonic vibration drilling is analyzed， the results show that the axial ultrasonic vibration drilling can effectively reduce the stress of SiCp/Al processing， the simulation results show that the axial vibration drilling can reduce the stress in the process of drilling， reduce the length of the chip breaker， it provides technical support for the cutting of SiCp/Al composites.

【Key words】? ? ?SiCp/Al composites; ultrasonic vibration drilling; finite element simulation; machining stress

〔中圖分類號(hào)〕? TH164? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2022）02- 0019 - 03

0? ? ? 引言

SiCp/Al復(fù)合材料是一種比強(qiáng)度、比模量、斷裂韌性和耐磨性較好的金屬基復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等工業(yè)行業(yè)中[1]。然而SiCp/Al復(fù)合材料硬度高和各向異性的特點(diǎn)，使得其在普通切削加工時(shí)加工性能和加工表面完整性較差，鉆削加工效果更難以控制，因此采用軸向超聲振動(dòng)進(jìn)行輔助鉆削成為一種趨勢(shì)。有限元仿真可對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行高效優(yōu)化，節(jié)約成本和時(shí)間，是目前進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和控制的有效方法。

現(xiàn)階段，許多學(xué)者對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助車削和銑削進(jìn)行了大量的研究。其中，馬亞健等[2]對(duì)縱扭復(fù)合振動(dòng)銑削SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為超聲振動(dòng)銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。王澤亮等[3]通過建立SiCp/Al復(fù)合材料的車削仿真模型，研究了工藝參數(shù)對(duì)切削溫度的影響。王俊磊等[4]建立了SiCp/Al復(fù)合材料橢圓振動(dòng)車削的仿真模型，提供了優(yōu)化的加工參數(shù)。Davim等[5]進(jìn)行鉆削和車削加工SiCp/Al復(fù)合材料的試驗(yàn)，研究了刀具磨損和切削力之間的關(guān)系。

SiCp/Al復(fù)合材料的超聲振動(dòng)鉆削、車削、銑削試驗(yàn)研究較多，車削和銑削仿真也有相關(guān)報(bào)道，但由于超聲振動(dòng)鉆削有限元仿真模型復(fù)雜，涉及邊界條件繁瑣，故見報(bào)道較少。本文通過建立體積分?jǐn)?shù)為40%的SiCp/Al復(fù)合材料軸向超聲振動(dòng)鉆孔有限元仿真模型，對(duì)超聲振動(dòng)過程中的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，對(duì)比普通鉆削仿真結(jié)果可見，軸向超聲振動(dòng)鉆削能夠減小鉆孔過程中的應(yīng)力，減小切屑寬度。

1? ? ?超聲振動(dòng)鉆削機(jī)理

普通鉆削過程中鉆頭的運(yùn)動(dòng)可以分解為軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。鉆頭的主切削刃外徑一點(diǎn)的軌跡方程如式（1）所示。5831760F-8CE3-4ADD-9B8A-586364E6592E

根據(jù)相關(guān)參數(shù)繪制出刀具在普通鉆削和軸向振動(dòng)鉆削情況下鉆頭的軸向運(yùn)動(dòng)軌跡圖，如圖1所示。其中a為普通鉆削鉆頭位移圖，b為軸向超聲振動(dòng)鉆頭位移圖。從圖1中可以看出，普通鉆削時(shí)鉆頭與工件之間始終接觸，軸向超聲振動(dòng)時(shí)鉆頭與工件間斷接觸，切屑的厚度在持續(xù)變化。

2? ? ?有限元建模

采用Abaqus建立體積分?jǐn)?shù)為40%的SiCp/Al復(fù)合材料軸向超聲振動(dòng)加工的三維有限元模型。

2.1? ?幾何模型

選用直徑為4.2mm的麻花鉆，材料為硬質(zhì)合金，對(duì)鉆頭刀桿部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，只建立對(duì)應(yīng)力影響大的鉆頭部分。工件為直徑5mm的圓柱體，在工件表面預(yù)制一個(gè)錐狀的凹面加工表面以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鉆孔。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用分區(qū)域劃分方式，對(duì)鉆頭和工件錐凹面接觸部分進(jìn)行細(xì)化，實(shí)現(xiàn)快算計(jì)算。如圖2所示，（a）和（b）分別為刀具和工件幾何模型及網(wǎng)格劃分圖。

2.2? ?本構(gòu)模型

結(jié)合SiCp/Al復(fù)合材料特點(diǎn)，選用Johnson-Cook模型等效均勻模型做為材料的仿真模型[6]，故其流動(dòng)應(yīng)力可表示為式（3）。

2.3? ?分離準(zhǔn)則

3? ? ?有限元仿真結(jié)果分析

普通鉆孔與軸向超聲振動(dòng)鉆孔刀具與工件的接觸方式不同，故其產(chǎn)生的應(yīng)力不同，應(yīng)力的大小一定程度上反映了切削過程中切削力和切削水平的高低。

普通鉆削和軸向超聲振動(dòng)鉆削在一個(gè)切屑形成過程的應(yīng)力如圖3所示。由穩(wěn)定鉆削狀態(tài)的Mises應(yīng)力圖可知，普通鉆削時(shí)的最大應(yīng)力為2590MPa，軸向超聲振動(dòng)鉆削為1230MPa，Mises應(yīng)力通過超聲振動(dòng)輔助加工減小了52%。對(duì)仿真切屑的長度和厚度進(jìn)行測(cè)量，普通加工時(shí)切屑寬度為0.455mm，軸向超聲振動(dòng)鉆削時(shí)，寬度為0.316mm，寬度減小了30.5%，通過超聲振動(dòng)輔助加工可有效減小切屑尺寸，方便切屑排出，減輕孔壁劃痕，提高孔壁加工質(zhì)量。

4? ? ? 結(jié)論

本文通過建立鉆削有限元仿真模型，對(duì)軸向超聲振動(dòng)鉆削與普通鉆削仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）軸向超聲振動(dòng)鉆削改變了鉆頭在軸向的運(yùn)動(dòng)方式，刀具與工件接觸為斷續(xù)接觸，Mises應(yīng)力明顯減小，與普通鉆削相比減少了52%。

（2）軸向超聲振動(dòng)鉆削刀具與工件的間歇加工能夠生成較小的切屑，切屑寬度減小了30.5%，有利于斷屑散熱，減輕刀具磨損及孔壁磨損，提高加工質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 呂道駿. 鋁基碳化硅復(fù)合材料加工技術(shù)發(fā)展研究[J]. 電子機(jī)械工程， 2011， 27（5）：4.

[2] 馬亞健， 聶文忠， 陸建民，等. 縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)銑削SiCp/Al表面質(zhì)量研究[J]. 機(jī)床與液壓， 2020， 48（8）：4.

[3] 王澤亮， 黃樹濤， 焦可如，等. 高速正交切削SiCp/Al復(fù)合材料切削溫度仿真研究[J]. 工具技術(shù)， 2014， 48（10）：4.

[4] 王俊磊，袁松梅，李麒麟，等.SiC_p/Al超聲橢圓振動(dòng)車削力熱特性仿真研究[J].航空制造技術(shù)， 2021（19）：1-11.

[5] DAVIM P A， BAPTISTA M. Relationship between cutting force and PCD cutting tool wear in machining silicon carbide reinforced aluminium[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2000， 103（3）： 417-423.

[6]? Zhou L ， Huang S T ， Wang D ， et al. Finite element and experimental studies of the cutting process of SiCp/Al composites with PCD tools[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2011， 52（5-8）：619-626.

[7] Dou T ， Fu H ， Li Z ， et al. Prediction model， simulation， and experimental validation on thrust force and torque in drilling SiCp/Al6063[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019（3）：53-60.

[8] Doomra V K， Debnath K， Singh I. Drilling of metal matrix composites： Experimental and finite element analysis[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2015， 229（5）： 886-890.5831760F-8CE3-4ADD-9B8A-586364E6592E