研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜的有限元仿真研究

王政棋，于曉琳，黃樹濤，許立福，張玉璞，劉成煒

（沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110159）

0 引言

由于SiCp/Al復合材料的耐疲勞性優異，且具有低熱膨脹系數、較高的比剛度和比強度，以及良好的耐磨損性等性能[1-2]，因此在近些年得到廣泛關注。通過精密、超精密加工獲得的SiCp/Al復合材料零部件被廣泛應用于衛星軸承/天線、激光反射鏡、慣性導航系統等[3]。現階段SiCp/Al復合材料的應用往往對其表面精度的要求很高，而SiCp/Al復合材料各向異性，直接加工很難保證其精度，SiC增強顆粒與Al基體的性質差異巨大，因此在加工SiCp/Al復合材料時為了保證其加工表面的完整性，使用何種方式對SiC增強顆粒延性去除就顯得尤為重要[4]。于是提出通過對SiCp/Al復合材料表面進行氧化處理，在表層形成氧化陶瓷膜，從而在SiCp/Al復合材料研磨表層建立SiC顆粒增強相與Al合金基體相同性耦合去除的力學條件。SiCp/Al復合材料微弧氧化膜為氧化鋁陶瓷是硬脆性材料，國內外多位學者利用理論分析和有限元仿真等方法，對SiCp/Al復合材料微弧氧化膜相似材料的去除機理和其延性去除的力學條件等進行了大量的研究。其中Lambropoulos[5]的研究結果表明增加延性系數亞表面裂紋深度隨之增大。李圣怡等[6]通過研究得出研磨時亞表面的損傷深度隨著磨粒粒度、壓強以及研磨盤的硬度增大而增大，隨著研磨液濃度及研磨速度的增大而減小；其中磨粒粒度的大小對研磨后亞表面損壞的深度影響效果最大，其次為研磨的壓強，而其他3種因素對研磨時亞表面的損傷的深度影響較小。胡珊珊等[7]通過研究得出加工參數對表面形貌及切削力的影響為：材料>切深>進給速度。張珂等[8]研究得出在研磨過程中研磨盤轉速和壓力對陶瓷表面質量影響較大。劉偉等[9]研究得出，隨著磨粒切削速度的上升，法向和切向切削力減小；隨著磨粒的切削深度的增加，磨粒的切向和法向切削力增大。胡浩[10]通過仿真與實驗得出磨粒的切削力隨著磨粒磨削速度的增加與磨粒最大切厚的減小而有效地降低。

本文將通過使用ABAQUS有限元的仿真方式進行研究驗證，通過改變工藝參數（研磨壓力、金剛石磨粒粒度、研磨速度）研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜層，分析氧化陶瓷膜表面應力情況，以及工藝參數對研磨時切削力的影響，為研磨加工脆硬性質材料研磨加工提供參考依據。

1 單磨粒研磨仿真模型的建立

由于SiCp/Al復合材料微弧氧化膜的主要成分為氧化鋁陶瓷膜層與SiC顆粒，為脆硬材料，于是選用Johnson-Holmquist ceramic（JH-2）作為材料的本構模型，JH-2模型是在JH-1模型的基礎上改進而來的，用來模擬脆性材料的應變率效應，以及在高壓高應變率條件下發生大變形時的材料強度變化、材料的損傷與劣化效應等力學行為[11]。

SiCp/Al復合材料微弧氧化膜材料JH-2本構模型參數與SiC顆粒材料JH-2本構模型參數如表1所示。

表1 仿真材料本構JH-2材料參數

由于SiCp/Al復合材料由Al基體和SiC顆粒組成，所以，在建模時為了準確表示碳化硅顆粒位置，在鋁基體內按照SiC體積分數建立碳化硅顆粒，使用MATLAB軟件進行編程，在指定的空間里生成互不干涉的隨機的空間坐標來確定碳化硅顆粒的位置，其上層為SiCp/Al復合材料微弧氧化膜26 μm（疏松與致密兩層氧化鋁薄膜，兩層膜的材料本構相同），下層則是SiCp/Al復合材料，工件的模型如圖1所示。工件尺寸為60 μm×30 μm×66 μm。而在單顆磨粒切削仿真中，磨粒形狀多選用球體[12]、圓錐體[13]等幾何體進行模擬，于是為了更為直觀地表示仿真結果，在本文中選用球型磨粒（如圖2）。

圖1 單磨粒仿真工件

圖2 單磨粒仿真刀具

單磨粒切削可以視作對工件材料的局部加工，因此可以結合圣維南原理[14]，工件被加工時其應變和應力都只集中于材料的被加工區域，而距離材料加工點較遠位置的應力和應變會變得極小，甚至接近于零。因此，為了提高仿真的效率，同時保證仿真的正確性，只對工件的加工區域網格進行密集劃分。由于氧化鋁陶瓷的屈服強度和彈性模量遠遠小于金剛石，磨粒在仿真的過程中變形很小，為了減少ABAQUS仿真實驗所用時間，便不考慮磨粒的變形與磨損，將其視為剛體，表2所示為磨粒的材料參數。

表2 金剛石磨粒材料參數

采用ABAQUS建立單磨粒研磨模型，如圖3所示。在研磨加工的過程中，磨粒自由運動切削工件，但磨粒與工件接觸的實際長度遠遠大于磨粒對工件的切削深度，便將這個過程簡化為磨粒沿直線切削工件。由于在研磨實驗中，一般將工件固定在夾具上，所以在仿真中將工件底部做全固定，限制6個方向自由度。磨粒設置為剛體，限制除z方向外的其他5個自由度。使磨粒沿著z軸做研磨工件的運動。磨粒與工件采用面-面接觸，接觸設置摩擦為罰摩擦，摩擦因數設置為0.1。在網格劃分方面，由于材料模型為復合材料模型，為了網格過渡更加完整，采用四面體劃分方式，節點總數為44 345個，單元個數為244 653個。提交作業時，先建立job，然后導入工作目錄，生成inp文件，工件材料本構模型Johnson-Holmquist ceramic（JH-2）模型在inp中進行修改，修改完成inp文件后，提交仿真，得到結果。由于氧化鋁陶瓷的熱膨脹系數較小，力學性能穩定，而且單顆磨粒研磨時磨粒與工件的接觸面積極小，磨粒與工件的接觸時間極短，遠遠小于磨粒轉動一周的時間，因此在研磨過程中產生熱量極少，于是便不考慮溫度的變化對單顆金剛石磨粒研磨氧化鋁陶瓷薄膜的影響。

圖3 單磨粒研磨仿真模型

在仿真進行時磨粒沿著z軸做直線研磨工件的運動。本文采用單因素的方式，選取不同的工藝參數，磨粒粒度W為0.5、2.5、5.0、14.0 μm，研磨壓力F為0.2、0.4、0.6、0.8 N，研磨速度v為240、300、360、420 r/min，進行單磨粒研磨仿真。

2 仿真結果與分析

2.1 單磨粒研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜表面應力分析

單顆金剛石研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜時，隨著金剛石磨粒研磨運動的進行，工件材料不斷發生變形破壞，其去除的方式與其應力所產生的區域也在不斷地發生變化，因此根據時間截取工件發生形變時的應力云圖，在仿真工藝參數為磨粒粒度W為14 μm，研磨壓力F為0.4 N，研磨速度v為360 r/min時的工件變形與應力云圖，如圖4、圖5所示。從圖4（a）能夠看出，此時磨粒剛剛開始對工件進行研磨運動，由于磨粒的擠壓作用，工件與磨粒的接觸位置產生了微小的變形，此時材料處于彈-塑性形變的階段，隨著研磨的繼續進行，工件由于磨粒的擠壓發生破碎，此時應力最大的位置為磨粒切入點的下方，為476.22 MPa。隨著磨粒不斷切入工件，工件接觸應力隨著磨粒研磨工件，而發生側面向底部沿著磨粒切入方向的擴展，此時最大的應力出現在磨粒與工件接觸位置（如圖4（a）～圖4（d）），而圖4（b）的最大應力偏小，是由于在磨粒切入工件時，工件表面發生塑性變形，導致應力變小。當磨粒整個切入工件時，應力沿著磨粒的研磨方向進行拓展，僅僅有很小的應力向工件下方拓展（如圖5（a））。當磨粒開始切出工件，會發現工件先由于擠壓而發生塑性變形，然后工件發生斷裂破碎，隨后磨粒前端切出工件。如圖5（b）～圖5（d）所示，工件表面所受應力繼續沿著磨粒的前方、側面和底部擴展，此時最大的應力一般是由磨粒的擠壓導致工件內部產生的應力。當磨粒完全切出工件后，磨粒和工件不再進行作用，由圖5（e）可以看出在其表面有一定范圍的殘余應力。

圖4 單顆磨粒切入過程工件變形及應云圖

圖5 單顆磨粒切出過程工件變形及應力云圖

單顆金剛石磨粒研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜的研磨過程中，工件表面的破壞是由磨粒擠壓切削造成的，其表面的痕跡多為破碎裂痕。其中材料破碎并產生磨屑的過程中，工件會與磨屑產生一定的沖擊，造成應力在研磨的過程中改變，而在磨粒造成工件破碎后，可以導致材料的最大等效應力突然減小，因此在研磨的過程中會發生應力的突然變化。根據圖5（e）可以看出，單磨粒研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜后的表面多為磨粒壓潰工件形成的裂痕，單磨粒的切削深度和寬度基本與磨粒的大小保持一致，僅僅在邊界上有一些微小的破碎和變形，磨粒作用工件的切入和切出兩端，由于工件邊緣材料的變形破碎導致工件的研磨深度、寬度較大。

2.2 研磨速度對單磨粒研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜切削力的影響

當研磨壓力F為0.2 N，磨粒粒度為W為14 μm時，研磨速度v分別為280、320、360、400 r/min，對仿真得到的沿磨粒研磨方向切削力Fz進行統計分析，得到Fz的穩定平均切削力與研磨速度之間的關系曲線，如圖6所示。

圖6 研磨速度對單磨粒研磨切削力的影響趨勢（F=0.2 N、W=14 μm）

隨著研磨速度的增加，沿著磨粒研磨方向的切削力Fz不斷減小。其原因主要有兩點：一是SiCp/Al復合材料微弧氧化膜是脆硬性材料，在研磨的過程中，其去除方式主要為脆性去除，在研磨過程中，材料的破碎會引起切削力變小，隨著切削速度的增大，材料破碎的過程會增多，從而引起磨粒的切削力降低。二是根據沖擊動力學理論，高應變率下材料的應變強化作用小于溫度的熱軟化作用[15]，因此溫度的熱軟化的作用會隨著研磨速度的增加而增強，材料對磨粒切削時產生的變形抗力會減小[16]，從而單磨粒的研磨切削力減小。張雅楠[17]也通過研究單磨粒切削力與最大未變形切屑厚度的關系發現，隨著單磨粒切削速度的增大，氧化鋁陶瓷的最大未變形切屑厚度降低，從而單磨粒切削力減小。

2.3 研磨壓力對單磨粒研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜切削力的影響

當研磨速度v為360 r/min，磨粒粒度W為14 μm，研磨壓力F分別為0.2、0.4、0.6、0.8 N時，對仿真得到的沿磨粒研磨方向切削力Fz進行統計分析，得到Fz的穩定平均切削力與研磨壓力之間的關系曲線，如圖7所示。

沿著磨粒研磨方向的切削力Fz隨著研磨壓力增大在不斷增大。根據仿真實驗的結果，其穩定平均切削力在研磨壓力F為0.2 N時最小，在0.8 N時最大，其中在F為0.2 N增大到0.4 N時變化最為明顯。出現這一情況的主要原因是隨著研磨的壓力增大，磨粒的切削深度變深，從而使磨粒與工件的接觸面積變大，因此導致磨粒的切削力變大。

2.4 磨粒粒度對單磨粒研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜切削力的影響

當研磨速度為360 r/min，研磨壓力F為0.2 N時，改變金剛石磨粒粒度W分別為0.5、2.5、5.0、14.0 μm，對仿真得到的沿磨粒研磨方向切削力Fz進行統計分析，得到Fz的穩定平均切削力與研磨時金剛石磨粒粒度之間的關系曲線，如圖8所示。

圖8 磨粒粒度對單磨粒研磨切削力的影響趨勢（v=360 r/min，F=0.2 N）

隨著磨粒粒度的變大，沿著磨粒研磨方向的切削力Fz在不斷地變大。根據仿真實驗的結果，穩定的平均切削力在磨粒粒度W為0.5 μm時最小，在14 μm時最大。出現這種情況的主要原因是，由于其他條件一定，當磨粒的粒度越大，其磨粒的有效切削工件的面積就越大，其切削力也就越大。仿真結果與文獻[18]通過單磨粒切削氧化鋁陶瓷實驗得出的“隨著磨粒粒徑的增大，磨粒的切削深度增大，單磨粒的切削力增大”的結論基本一致，證明了仿真具有一定的準確性。

3 結論

本文基于有限元仿真軟件ABAQUS，采用Johnson-Holmquist ceramic（JH-2）本構模型建立了單磨粒研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜的三維有限元仿真模型，通過仿真分析單磨粒研磨表面形貌及表面應力，并通過改變仿真工藝參數，得到其與單磨粒仿真切削力的關系，結論如下：

1）研磨SiCp/Al復合材料微弧氧化膜時磨粒研磨工件過程中具有塑性-彈性變形，其表面痕跡多為脆性斷裂，在研磨溝槽的內部，有少量細小的裂紋和塑性變形，其表面應力也存在波動變化，基本由于脆性材料加工時的材料破碎造成的。

2）通過單因素仿真實驗，得到工藝參數與單磨粒切削力的關系：當其他條件一定時，研磨速度越快，磨粒切削力越小；研磨壓力越大，磨粒切削力越大；磨粒越大，磨粒切削力越大。