李桂金
（江西科技学院机械工程学院，南昌 330098）
0 引言
SiCp／Al复合材料因其优异的力学性能而在航空航天等领域广泛应用［1－2］，也因其难加工性限制了发展应用。因此，许多学者致力于研究SiCp／Al复合材料的切削过程。KISHAWY等［3］采用正交方法，研究了切削参数对切削力的影响规律；PRAMANIK和ZHANG［4］通过车削试验分析了SiCp／Al复合材料的切削机理；EI－GALLAB 和 SKLAD［5］研究了三种刀具前角对 SiCp／Al复合材料的切削影响；KILICKAP 等［6］利用车削试验，研究了SiCp／Al复合材料的表面质量；JOSH等［7］分析了SiC颗粒的体积分数对切屑形成的影响；DAVIM［8］探讨了切削速度、进给速率等对SiCp／Al复合材料加工的影响；DANDEKAR 和 SHIN［9］通过一种多尺度建模的方法分析了颗粒分布对切屑形成、颗粒间剪切带的影响；王阳俊［10］探讨了高体积分数比SiCp／Al复合材料在高速切削下加工表面缺陷的形成机制；黄树涛等［11］研究了高速切削 SiCp／Al复合材料中切削用量对边界损伤的影响规律；刘闯等［12］则仿真分析了高速铣削SiCp／Al复合材料的温度场、切屑形状及切削参数对切削力的影响。
以上研究大部分侧重于实验，在一定程度上揭示了材料的切削机理和刀具磨损现象。本文基于SiC颗粒和Al基微观结构，采用数值模拟，建立SiCp／Al复合材料微观有限元动态切削仿真模型，预测其切削过程中的切削力、切屑形态，并探讨了SiC颗粒分布方式，颗粒尺寸和刀具圆弧半径对切削力的影响。
1 SiCp／Al复合材料有限元切削仿真
1.1 有限元切削模型的建立
基于两种不同材料属性的微观结构（即基体和SiC颗粒），建立了SiCp／Al复合材料二维有限元切削力学模型，如图1所示。考虑切削过程具有大应变、非线性的特征，采用ABAQUS／Explicit模块进行有限元的切削仿真。模型中单元采用四节点缩减应变单元（CPE4R）和自动沙漏控制，模型的尺寸为1 mm×0.5 mm。刀具设定为刚体，在仿真过程中给予x方向上的载荷。设置模型底部为固定约束（Ux＝Uy＝Rz＝0），模型左右两侧为x方向的位移约束（Ux＝0）。基于罚函数的原理，定义刀具与工件之间的接触，并基体和SiC颗粒之间定义自接触，以避免单元在切削过程中互相渗透。同时，采用库仑摩擦定律描述模型中刀具与工件的摩擦作用，摩擦因数为0.45。仿真所用的两种材料性能参数［2，13］见表 1。
图1 SiCp／Al复合材料正交切削模型Fig.1 Orthogonal cutting model of Al／SiCpcomposites
表1 切削仿真中所用材料的性能参数［2，13］Tab.1 Properties of material used in the cutting simulation
1.2 材料本构模型及失效分离准则
考虑到SiC颗粒在切削仿真中很难变形，因此只设置其材料性能，材料模型为σ＝Eε。Al是弹塑性材料，采用 Johnson－Cook本构方程［14］对其进行定义：
式中，A为材料在准静态下的屈服强度，B和n为应变硬化的影响系数，C为应变率敏感指数；m为温度软化系数；εpl为等效塑性应变；εpl为等效塑性应变率；ε0为准静态参考应变率；Tm为材料的熔点温度；Tr为材料所处环境温度。采用Johnson－Cook剪切失效准则［14］来反映切屑与工件的失效分离情况，具体表达式为
式中，为等效塑性应变增量，为当前条件下的失效应变。当材料失效参数ω超过1时，材料发生失效并删除相关单元。可由下式确定：
式中，d1～d5为失效参数，是在≤转变温度的情况下测得的；p／q为无量纲偏压应力比（p为压应力，q为Miss应力），仿真所用的材料参数和失效参数［13］见表2。
表 2 Al1100 基体的 Johnson⁃Cook 参数［13］Tab.2 Material parameters of Al1100 used in Johnson⁃Cook model
2 结果分析
2.1 切削力验证
仿真分析中所用的加工参数如表3所示。
表3 切削仿真中所用的加工参数Tab.3 Processing parameters used in the cutting simulation
为验证模型的准确性，采用与实验［13］相同的切削条件（方案1）模拟SiCp／Al复合材料的切削过程。图2为SiCp／Al复合材料切削时主切削力Fc仿真值与实验值的比较。由图2（a）可知，在切削初始阶段Fc线性增加，当进入稳定切削状态后，Fc存在一定范围的波动。这是由于在复合材料切削时，颗粒与刀具间发生不连续的相互碰撞。图2（b）为4种不同切削厚度下Fc的仿真值与实验值［13］，可以看到，两者的最大误差为15.7%。由此，可以验证该有限元切削模型的正确性。利用该模型，还分析了不同颗粒直径和刀尖圆弧半径对切削力变化规律的影响。
图2 SiCp／Al复合材料主切削力仿真值与实验值［13］的比较Fig.2 Comparison of cutting force between simulation and experiment［13］ in Al／SiCpcomposites machining
2.2 切屑形成机理
SiCp／Al复合材料的切屑形成过程如图3所示。在t＝0.2 ms时，即刀具切入工件后基体先发生塑性变形，最大塑性应变出现在主变形区并形成第一个剪切带，如图 3（a）所示；在 t＝ 0.4 ms，最大塑性应变出现在SiC颗粒与基体间的界面，颗粒出现明显的应力集中，但不会破碎，而基体发生剪切滑移，如图3（b）所示；随着刀具进一步进给（t＝0.8 ms），未破碎的SiC颗粒慢慢聚集在刀尖处并有孔隙生成，颗粒周围的基体材料则发生失效撕裂，使得剪切带上的各段微裂纹连接成一体，最终形成含有SiC颗粒的锯齿状切屑，如图3（c）所示。 对比实验测得的切屑形貌［13］，仿真和实验切屑都能明显观察到锯齿状切屑。
图3 SiCp／Al复合材料的切屑形成过程Fig.3 Process of chip formation during cutting of Al／SiCpcomposites
2.3 颗粒分布形式的仿真分析
实际上，SiC颗粒在基体中的分布不一定会遵从均匀分布的方式。图4为不同SiC颗粒分布方式的仿真分析。其中，颗粒均匀分布的切削过程较为平稳，产生的锯齿状切屑比较均匀，尺寸也较小；颗粒随机分布的切削过程较不平稳，形成的切屑较大且锯齿状不明显；而随机带团簇分布的仿真中，由于基体材料易在颗粒团簇处断裂，因此其切削过程最不平稳，形成的切屑差异最明显。同时，不同的颗粒分布方式对切削力的影响不同，如图4（d）所示。其中，随机带团簇分布的切削仿真产生了最大的切削力，而随机分布的切削力最小。这说明，颗粒的团簇不利于SiCp／Al复合材料的切削加工。
图4 不同颗粒分布方式的仿真分析Fig.4 Simulated analysis of different particle distributions
2.4 加工参数对切削力的影响
图5 （a）为颗粒均匀分布条件下颗粒直径对切削力变化规律的影响。可以看出，在10～20 μm，切削力随着颗粒直径的增加而减小。分析发现，在颗粒体积分数比一定的情况下，颗粒直径的增大使得切屑更易出现断屑，减小了切屑与刀具的作用，导致了切削力下降。图5（b）为颗粒均布条件下刀尖圆弧半径对切削力变化规律的影响。可以看到，切削力随着刀尖圆弧半径的增加而增加。这是因为刀尖圆弧半径越大，其对材料的挤压作用越大，说明大的刀尖圆弧半径不利于SiCp／Al复合材料的切削。
图5 不同加工工艺参数对切削力的影响Fig.5 Effect of processing parameters on the cutting force
3 结论
（1）建立了SiCp／Al复合材料二维动态有限元切削模型，该模型能很好的模拟复合材料的切削过程；分析了SiCp／Al复合材料的材料去除过程，得到的仿真切屑与实验结果基本一致。
（2）模拟了3种不同SiC颗粒分布形式的切屑和切削力，得到均匀分布产生的锯齿状切屑比较均匀；颗粒随机分布形成的切屑较大且锯齿状不明显；随机带团簇分布产生的切屑形状差异最明显。对比3种颗粒分布的切削力发现，随机带团簇分布的切削力最大，说明颗粒形成团簇不利于复合材料加工。
（3）通过加工工艺参数对切削力的影响分析发现，切削力随着刀尖圆弧半径的增大而增大，相反，切削力随颗粒直径的增大而减小。
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