20%SiCp/Al復合材料磨削機理及表面粗糙度研究＊

尹遜雨 高 奇 陳 野 崔天陽 張 科

（遼寧工業大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001）

隨著航空航天、軍工和機械行業的發展，人們對復合材料的性能要求越來越高，低體分SiCp/Al材料因其具有低密度、高比模量、低膨脹、高導熱以及低成本等特點而備受關注[1]。為深入研究磨削過程的磨削機理和磨削參數對表面質量的影響程度，國內外學者對SiCp/Al復合材料進行了大量的探究。

早在20世紀80年代，以美國為代表的國家率先投入大量科研力量，致力于SiCp/Al材料的研究，在航空航天領域取得了重大突破[2]。Yin G Q等[3]對SiCp/Al復合材料的去除機理進行了研究，建立單磨粒磨削的有限元仿真模型，試驗結果驗證了模型的準確性。Wei X等[4]對SiCp/6061Al復合材料的磨削性能進行了研究，發現磨削后復合材料表面存在孔洞、微裂紋等缺陷。Chen Z R等[5]對SiCp/Al復合材料磨削后的表面形貌進行了研究，發現磨削后表面出現了SiC顆粒的劃痕和脫落凹坑。Du J G等[6]研究了金剛石刀具磨削SiC/Al復合材料時的顆粒去除機理。實驗結果表明，SiC顆粒的去除方法有破碎、微裂紋、剪切和拉拔等多種形式。不同的磨削參數將會形成不同的粗糙表面，谷倩微等[7]指出經驗建模法、理論建模法和有限元分析法都是建立磨削表面形貌模型的重要方法。付鈺等[8]設計了三因素三水平的正交試驗，并通過極差分析得出加工參數對粗糙度的影響程度。

綜合上述研究，本文建立了單磨粒磨削的有限元模型對復合材料的磨削機理進行探究，并通過磨削試驗進行了驗證。對試驗數據分析，探究了磨削參數對表面粗糙度的影響程度。根據激光掃描共聚焦熒光顯微鏡的測量結果，討論了磨削后的表面缺陷及形貌特征。

1 有限元仿真

1.1 材料參數

研究對象為體分比20%的SiCp/2009Al材料，增強體SiC顆粒平均粒徑為7 μm。采用電火花線切割的方法取得 39 mm×25.5 mm×10 mm 的矩形材料為本次試驗的樣品，其材料參數如表1所示。

表1 有限元仿真中的力學參數

1.2 有限元幾何模型

圖1為采用掃描電子顯微鏡獲得的SiCp/Al材料的真實微觀結構。SiC顆粒隨機分布在Al基體中，顆粒之間不互相接觸。采用Python語言對ABAQUS軟件進行二次開發，建立復合材料的二維幾何模型。如圖2所示，將SiC顆粒簡化為不同直徑的圓形，圓形占比為20%，其平均直徑d=7 μm。刀具簡化為直角梯形，刀具模型的負前角為10°[9]。

圖1 SiCp/Al復合材料微觀結構

圖2 SiCp/Al復合材料磨削模型

然后對SiC顆粒和Al基體分別賦予材料屬性，兩者的網格都設置為四邊形為主的自由進階算法，網格單元的類型為溫度-位移耦合。刀具的材料類型設置為解析剛體，在整個仿真過程中，刀具不發生變形，刀具與工件的接觸定義為面與面的接觸，選用運動接觸法的力學約束公式化。仿真過程中工件的底部固定，限制其在X、Y軸的移動來防止仿真中斷。其網格劃分情況和約束情況如圖3所示。

圖3 基體和 SiC 顆粒的網格

1.3 本構模型

考慮磨削過程中大應變下產生的彈性變形和塑性變形，采用Johnson-Cook損傷模型描述磨削過程中的應變、應力之間的關系[10-11]，其具體形式如下。

式中： σ為材料的等效應力； ε為材料的等效塑性應變； ε˙為材料的塑性應變率； ε˙0為材料的參考應變率；A為準靜態下材料的原始屈服應力；B為材料硬化模量；C為與材料應變率相關的系數；T0為初始溫度；Tm為材料的熔化溫度；a為材料的硬化指數；b為熱軟化系數。J-C本構模型的參數定義如表2所示。

表2 J-C本構模型參數

采用J-C損傷定律對切削分離準則進行定義，每個元素的損害被定義為

式中： η =P/σ，P為壓力，d1、d2、d3、d4和d5為失效系數，參數如表3所示。

表3 J-C模型損傷參數

2 磨削試驗

2.1 試驗條件

進行磨削試驗的現場示意圖如圖4所示，加工設備為睿雕Carver400GA精雕CNC雕刻機。加工刀具為磨頭直徑2 mm的PCD磨棒，磨削方式為干磨削。試驗開始前先用磨頭直徑10 mm的磨棒對材料進行了預加工，獲得水平表面后換刀進行磨削試驗。試驗結束后，將加工好的工件經超聲波清洗器去除表面碎屑等雜質，在激光掃描共聚焦熒光顯微鏡下測量表面粗糙度并觀測表面形貌特征。

圖4 磨削試驗系統及檢測設備

2.2 試驗方案

為探究磨削參數對表面粗糙度的影響程度，設計了正交試驗和單因素試驗。以3個磨削參數為影響因素，表面粗糙度為試驗指標，根據磨削經驗選擇磨削參數水平，設計了三因素三水平的正交試驗，正交試驗的因素水平如表4所示。

表4 因素水平表

3 結果分析

3.1 試驗結果處理

經試驗獲得的粗糙度測量結果如表5所示，對9組正交試驗進行極差分析，其結果如表6。

表5 試驗參數和測量結果

表6 極差分析結果

其中，Ki表示各因素在i水平下表面粗糙度的總和，ki為Ki在i水平下的綜合平均，極差為Kimax-Kimin。由數據分析處理結果可知，影響表面粗糙度的因素中磨削深度對表面粗糙度的影響最顯著，主軸轉速次之，進給速度的影響相對較小。

3.2 建立回歸方程

依賴于經驗參數建模，采用多元回歸方法[12]建立表面粗糙度與加工參數之間的定量關系，表達式的一般式為

式中：xi為第i個自變量；y為因變量；b0為常數項；bi、bij、bii為待定系數；k為自變量的個數，對于本次試驗，加工參數為3個自變量，表面粗糙度為1個因變量。

為消除測量誤差對試驗結果的影響，將獲得的數據篩選后進行函數擬合，可得到主軸轉速、進給速度、磨削深度和表面粗糙度之間的定量關系如下式。

繪制擬合后的殘差和殘差置信區間分布圖，如圖5所示，殘差在直線r=0上下隨機分布，且殘差的置信區間始終包含直線r=0，所以滿足檢驗要求。繪制原始粗糙度和預測粗糙度對比柱狀圖，如圖6所示。預測值與測量值十分接近，相對誤差最大為3%。

圖5 殘差和殘差置信區間分布圖

圖6 粗糙度對比直方圖

3.3 仿真結果分析

仿真磨削過程中基體與顆粒的去除情況如圖7所示。隨著Al基體的塑性去除，如圖7a所示，切削顆粒中間部分時，顆粒靠近刀具部分受力急劇上升，為1 934.7 GPa，顆粒受力向偏離刀具的斜上方滑移，發生擠壓斷裂。磨削過后表面未見明顯凹坑，一部分Al基體填補了空隙，如圖7b所示，刀具對Al基體進行了切割，此時受力較小，為750 GPa，基體發生塑性變形并產生了切屑。整個磨削過程中，SiC顆粒受力遠遠大于Al基體的受力。圖7c所示的顆粒發生了應力集中現象，并在此作用下發生破碎，在磨削表面上形成凹坑和孔隙。

圖7 仿真過程的應力云圖

刀具磨削過后形成的表面如圖8所示，可見SiC顆粒和Al基體的分布情況。磨削路徑上的SiC顆粒均發生不同程度的脆性破壞，Al基體產生塑性去除。表面缺陷主要有裂紋、毛刺、空腔和Al基體撕裂在工件表面的涂覆?？锥吹男纬膳cSiC顆粒的拔出有關，裂紋是由SiC顆粒的破碎、SiC顆粒隨Al基體滑移而產生界面脫粘造成。如圖8放大部分所示，顆粒拔出所形成的孔洞主要由大量破損的SiC碎屑和少許產生塑性變形的Al基體進行填充。其中SiC顆粒發生脆性破壞后，又被刀具碾壓擠入凹坑中形成空腔，而Al基體被磨粒撕裂發生塑性變形，產生擠壓、滑移后進入凹坑。

圖8 Al基體和 SiC 顆粒的分布

3.4 檢測結果分析

圖9 為主軸轉速n=10 000 r/min，進給速度f=4 mm/min，磨削深度ap=0.04 mm時的表面形貌特征，此時的粗糙度Ra=0.090 μm。由圖9a可以看出，磨削后的表面出現了不均勻分布的劃痕，這是因為磨棒在磨削過程中發生磨粒脫落，脫落的磨粒受磨棒擠壓并與磨棒發生滑擦，最終在磨削表面上造成了劃傷。圖9b為此時的三維微觀形貌，此時的加工參數較小，形成的表面質量也較好，無明顯的凸起和凹坑，只形成了少量的毛刺。

隨著加工參數的進一步增大，當主軸轉速n=10 000 r/min，進給速度f=8 mm/min，磨削深度ap=0.06 mm時，磨削表面可明顯觀測到波浪狀的分層特性，如圖10a所示。這是因為：一方面在磨削過程中，殘留的熔融狀態的殘余物覆蓋在加工表面；另一方面，熔融的Al基體隨磨棒的進給在加工表面上形成涂覆，并冷卻在加工表面。如圖10b所示，更大的加工參數也形成了更多的毛刺，造成了表面質量下降，此時的粗糙度Ra=0.140 μm。

圖11為主軸轉速n=12 000 r/min，進給速度f=4 mm/min，磨削深度ap=0.05 mm時的表面形貌特征，此時的粗糙度Ra=0.127 μm。如圖11所示，在磨削方向上觀測到了溝痕和小凹坑，小凹坑為SiC顆粒發生脆性破壞并受力拔出造成。對比圖9可得出，在主軸轉速和磨削深度增大時，溝痕的形成更加明顯。這是因為主軸轉速和磨削深度的增大造成單位時間內材料的去除率增大，材料發生塑性形變也就更加明顯。然而，與圖10所形成的溝痕不同，此時的進給速度f=4 mm/min，刀具進給速度降低，單位長度上工件被磨削的次數增加，因此可見單磨粒磨削的路徑，如圖中箭頭所示。而圖10所形成的溝痕主要與Al基體涂覆在已加工表面上并產生的分層特征有關，涂覆的Al基體與磨削平面形成高低不平的溝壑，圖10b中溝痕附近的大量毛刺也說明了溝痕的產生與Al基體的涂覆有關。

圖9 表面特征：n=10 000 r/min, f=4 mm/min, ap=0.04 mm

圖10 表面特征：n=10 000 r/min, f=8 mm/min, ap=0.06 mm

圖11 表面特征：n=12 000 r/min, f=4 mm/min, ap=0.05 mm

4 結語

（1）根據極差分析得出結論，磨削深度對表面粗糙度的影響最顯著，主軸轉速次之，進給速度的影響相對較小。擬合了回歸方程，方程的預測值與實際測量值十分接近，相對誤差最大為3%。

（2）磨削過程中SiC顆粒的受力遠遠大于Al基體的受力，SiC顆粒發生脆性斷裂；磨削過程中的Al基體發生塑性去除和塑性變形。

（3）磨削表面缺陷有脫落磨粒產生的劃傷、Al基體涂覆形成的分層特征、Al基體塑性去除形成的毛刺、單磨粒磨削形成的溝痕以及SiC顆粒脆性去除產生的凹坑等。

（4）溝痕的產生和復合材料的去除速度、Al基體的涂覆現象有關。在主軸轉速和磨削深度增大時，溝痕的形成更加明顯。