SiCp/Al復合材料振動輔助研拋數值模擬的研究

劉亞梅， 馮潔， 谷巖， 林潔瓊， 孫建波

(長春工業大學機電工程學院,長春130012)

0 引 言

SiCp/Al復合材料具有比模數高、比強度大、抗疲勞性強及良好的韌性等，因此廣泛應用于航空航天制造、交通工具制造、軍事裝備制造等領域[1]。然而，碳化硅顆粒與鋁合金基體的力學性能完全不同，因此在SiCp/Al復合材料加工過程中，碳化硅顆粒的變形和斷裂模型與鋁基體存在較大差異，進而影響工件的表面完整性和抗疲勞特性[2]。在精密加工領域中，計算機輔助控制具有高效率、低成本、精確度高等優點，可大規模用于SiCp/Al復合材料的加工生產。然而，SiCp/Al拋光加工在工藝參數選擇、表面損傷控制方面，依然存在技術瓶頸。為了在SiCp/Al研拋過程中獲得良好的工件表面質量，研究碳化硅損傷機理和相關加工參數對工件表面及亞表面質量具有重要意義。目前已有的振動輔助拋光方法可實現工件表面粗糙度達到納米級、輪廓度達到微米級[3]。

目前國內外諸多學者對SiCp/Al復合材料加工參數和表面質量之間的關系進行了研究。Zhou等[4]通過實驗研究了超聲振動磨削SiCp/Al復合材料的磨削力、表面形貌、切屑形態及刀具磨損情況。梁桂強等[5]通過對復合材料進行超聲振動試驗研究，針對不同磨削參數進行機理分析，并通過正交實驗法對工件表面質量進行優化。悉尼大學Pramanik等[6]利用有限元仿真對復合材料切削過程中增強相顆粒與刀具接觸面間的相互作用及切削機理進行了研究分析。哈爾濱工業大學劉俊偉等[7]利用ABAQUS顯式動力分析了體積分數為45%的二維SiCp/Al復合材料的去除機理和表面缺陷。超聲振動輔助切削加工技術最先用于硬脆材料加工領域，近些年才有學者把超聲振動應用于復合材料的磨削加工，并對其相關加工參數及表面質量進行了研究。由于復合材料的加工過程復雜、加工實驗操作、工藝參數及檢測難度大。隨著數值分析技術的快速發展，復合材料的磨削過程均可仿真實現，主要包括有限元模型和分子動力學模型。目前主要研究的內容有材料本構、切屑狀態、加工表面損傷等。

目前，復合材料的切削過程中去除機理和表面及亞表面損傷的研究很多，但是利用有限元仿真對復合材料的超聲振動輔助研拋過程的材料去除特性及表面損傷影響的研究較少。在此基礎上，本文利用ABAQUS/Explicit軟件建立了一種單磨粒研拋模型，用于分析SiCp/Al復合材料加工過程中加工機理。分析了研拋過程中加工表面損傷隨各種加工工藝參數的變化規律，刀具與工件的相互作用，已加工表面質量以及研拋過程中應力應變場的分布等復合材料研拋加工的機理性問題。通過先進的數值模擬方法有助于優化加工參數，獲得理想的加工表面質量。

1 超聲振動研拋SiCp/Al復合材料有限元模型的建立

1.1 2024Al基體的材料建模

金屬材料通常用本構方程反映材料的等效塑性應變和應變率，同時還描述材料的熱軟化效應和硬化效應。2024Al基體材料本構模型選用Johnson-Cook模型[8]，本構參數如表1所示，塑性屈服應力關系為

式中：A為屈服應力常數；B為硬化模量常數；n為加工硬化指數；C為應變率相關系數；m為熱軟化相關系數。

為了模擬切削分離的過程，本文采用Johnson-Cook損傷模型，本構關系為

式中：d1～d3為初始損傷參數；d4、d5為應變率和熱軟化參數；p/q為靜水壓力與馮米塞斯等效應力之比。

表1 2024Al基體J-C模型參數

1.2 SiC顆粒建模

在研拋加工過程由于SiC顆粒增強相容易產生亞表面微裂紋，并且進一步擴展。因此，還需建立脆性斷裂模型來預測亞表面損傷[9]。在本文研究中，用JH-2本構模型來描述拋光過程中SiC的斷裂損傷，本構參數如表2所示，本構關系為

式中：σ為實際等效應力；σHEL為Hugoniot等效壓力；P為靜水壓力；PHEL為Hugoniot靜水壓力；A、B、C、M和N為材料預定參數；D為材料損傷系數；T為最大靜水抗拉強度。

表2 SiC增強顆粒模型參數

1.3 界面相的建模

式中：Nmax、Smax、Tmax為峰值強度，在達到即將發生損傷的臨界值時，開始發生斷裂。

1.4有限單元網格劃分及邊界設定

ABAQUS提供了豐富的單元庫，本模型中選取CPS4R單元建立復合材料細觀模型。2024Al基體、碳化硅增強顆粒的有限元模型如圖3、圖4所示，工件仿真尺寸設定為15×5 μm，選取COH2D4單元建立界面的有限元模型如圖2所示。邊界條件設置如圖5所示，工件左端及底部的邊界設置為固定約束，在磨粒上設置拋光速度，其中磨料錐角設定為30°，本文仿真假設在單磨粒條件下進行。

2SiCp/Al復合材料拋光模擬與分析

針對已建立的三胞體模型，主要研究研拋加工鋁基碳化硅過程中磨粒拋光速度vc、磨粒研拋深度ap、振動頻率f 及橫、縱振幅對工件應力、加工表面質量、亞表面損傷的影響規律。設計了單因素仿真對照方案，如表3所示。

2.1 磨粒拋光速度

圖6所示為不同研拋速度下的工件Mises應力云圖，其中磨料錐角α=30°，研拋深度ap=2 μm，磨粒速度vc分別為400、600、800、1000 mm/s。如圖6（a）所示，當vc=400 mm/s時，在磨料的劃擦過程中碳化硅顆粒內部的應力較大，碳化硅顆粒頂部出現破碎斷裂，破碎顆粒被磨料擠壓前方基體，使得載荷集中于兩相界面處，導致其周圍出現嚴重界面損傷現象。如圖6（b）所示，當研拋速度增加到600 mm/s時,界面損傷現象顯著減小，工件亞表面損傷相比于400 mm/s減弱。如圖6（c）、圖6（d）所示，當研拋速度提高到800～1000 mm/s時，隨拋光速度增加亞表面裂紋深度增加，在高應力作用下碳化硅顆粒應力集中現象加劇，顆粒內部裂紋逐漸加深擴展直至破損貫穿，同時，兩相之間出現嚴重的界面損傷現象。因此，本文SiCp/Al復合材料在ap=2 μm條件下，理想研拋速度為600 mm/s。

表3 數值模擬研拋參數

2.2 磨粒研拋深度

圖7所示為不同研拋深度下的工件Mises應力云圖，其中磨粒錐角30°，研拋速度為vc=600 mm/s，研拋深度ap分別為2、3、4 μm。如圖7（a）所示，當ap=2 μm時，工件在磨粒劃擦作用下，碳化硅亞表面處產生微裂紋。同時，磨粒在對碳化硅顆粒和鋁基體的擠壓過程中，作用力通過鋁基體和碳化硅界面，導致裂紋在碳化硅左側界面處延伸，鋁基體與碳化硅顆粒增強相之間的界面層失效；如圖7（b）所示，當ap=3 μm時，研拋路徑下碳化硅顆粒亞表面裂紋深度加深，裂紋在碳化硅內部及兩相界面層擴展，導致碳化硅顆粒出現微小破碎。同時可以發現，由于顆粒的翻滾下壓導致碳化硅左側界面層損傷加劇，直至損傷失效；如圖7（c）所示，當ap=4 μm時，中位裂紋從碳化硅顆粒加工的表面向內部延伸加劇，碳化硅顆粒部分破碎斷裂，形成小的凹坑和裂縫，這是由于微裂紋貫通交錯所致。同時，兩相界面處的裂紋擴展至底部，碳化硅顆粒與鋁基體之間的左側界面層完全失效。

2.3 振動頻率、振動幅值對工件表面形貌影響

圖8所示是3組不同頻率下工件的Mises應力云圖，其中磨粒錐角α=30°，研拋速度vc=50 mm/s，振幅為2 μm，振動頻率分別為20、25、30 kHz。在同等切削速度下，當振動頻率處于20 kHz時工件表面粗糙度較大，碳化硅顆粒內部的破碎嚴重，界面層邊緣出現裂痕；如圖8（b）、圖8（c）所示，隨振動頻率進一步增加，磨料連續高頻錘擊劃擦作用下應力集中不斷減小，拋光表面粗糙度不斷降低，拋光表面質量進一步提高，同時提高了材料的去除率，碳化硅顆粒亞表面的裂紋擴展和內部破碎損傷得到有效抑制。

振幅分為橫向振幅和縱向振幅。設定磨粒橫向振幅為1、2、3 μm，振動頻率為25 kHz。圖9所示是3組不同橫向振幅下工件的Mises應力云圖。從圖9可以明顯發現，隨著橫向振幅的增加，研拋加工表面殘余高度尺寸顯著減小，表面粗糙度降低，一定程度上增大了材料去除率。同時碳化硅顆粒部分損傷斷裂明顯減小，碳化硅顆粒與鋁基體之間的界面層失效得到有效抑制；定磨粒縱向振幅為2.0、2.5、3.0 μm，振動頻率為25 kHz。圖10所示是3組不同縱向振幅下的工件Mises應力分布圖。從圖10中可以明顯發現，隨著縱向振幅的增加，研拋加工表面殘余高度尺寸增大，表面粗糙度增大，同時碳化硅顆粒部分損傷斷裂明顯減小，并且碳化硅顆粒與鋁基體之間的界面層失效得到有效抑制。

2.4 振動輔助研拋與常規研拋的對比分析

圖11所示為常規研拋及超聲輔助研拋的mises應力云圖，其仿真設置為：超聲振動研拋橫、縱振幅均為3 μm，研拋深度為2 μm，常規研拋中研拋深度為5 μm，研拋速度均為600 mm/s，從圖11（a）可以明顯看出，在磨粒與碳化硅顆粒的劃擦路徑下，由于存在高應力及應力集中現象，導致碳化硅出現不同去除模式，包括產生裂紋、破碎斷裂、脫拔三種現象，由于Al基體產生塑性變形，并且在磨粒劃擦的作用下SiC顆粒與基體因應力集中而產生錯位分離，導致碳化硅顆粒及周邊界面層損傷較為嚴重，在工件表面出現凹坑。分析可知，碳化硅增強顆粒的破碎斷裂和脫拔是造成工件表面缺陷的主要原因；從圖11（b）可以看出。由于振動頻率較大，磨粒與碳化硅顆粒的接觸形式主要是錘擊接觸，導致碳化硅顆粒頂部出現局部破碎及亞表面裂紋。同時，由于兩相界面處應力較大，碳化硅增強顆粒相與基體相界面之間出現多處損傷，但是，與常規研拋相比工件表面及亞表面損傷相對較小。

3 結 論

考慮研拋加工過程中兩相材料非均質及兩相界面變形的特性,建立細觀力學仿真模型，并通過ABAQUS有限元法對SiCp/Al復合材料進行仿真預測，分析了不同研拋加工參數及超聲振動作用對復合材料加工的影響，為后續的研拋工藝提供合理的參考和指導。得到如下結論：

1）隨著研拋速度的增加（vc≥800 mm/s）增強相碳化硅顆粒內部裂紋擴展增多，亞表面損傷嚴重，同時，兩相界面損傷破壞加劇。當研拋速度降至400 mm/s時，碳化硅顆粒亞表面損傷加深。

2）研拋深度的增大會促進碳化硅顆粒裂紋的萌生、擴展、交叉，同時，兩相界面層損傷也隨之增大，直至界面層損傷失效，最終導致碳化硅顆粒亞表面損傷加重。

3）隨著振動頻率越大，工件加工表面殘余高度越小，表面粗糙度降低，同時，增大頻率在一定程度上可以提高材料的去除率，抑制碳化硅顆粒裂紋的亞表面損傷的擴展。

4）橫向振幅增大，表面粗糙度降低，同時，增加橫向振幅在一定程度上提高了復合材料的材料去除率，并且工件亞表面損傷得到抑制；隨著縱向振幅增大，工件表面粗糙度增大，但是工件界面層損傷得到有效的抑制。

5）超聲振動輔助研拋與常規研拋加工相比，可以減小SiCp/Al復合材料的表面及亞表面損傷。