基于AdvantEdge的石墨烯/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料切削力研究

劉伯濤，水 麗，張 凱

（沈陽理工大學機械工程學院， 遼寧 沈陽 110159）

引言

隨著軍工制造、航空航天、汽車電子等領域對材料的要求越來越高，鋁基復合材料以其低密度、低膨脹、耐磨損、導熱性好及復合材料制備工藝靈活等優異的綜合性能，獲得廣泛應用[1-2]。石墨烯Graphene Nanoflakes（GNFs）是碳原子以sp2雜化鏈接的六角形蜂巢狀結構的二維材料，因此具有高強度、高硬度及導熱率高等優點，將其與鋁合金結合制備鋁基復合材料 Aluminum Matrix Composites（AMCs），研究發現石墨烯鋁基復合材料在提高材料強度的同時也兼有良好的塑韌性[3]。文獻報道的石墨烯復合材料的研究主要集中在聚合物基體上，而金屬基的研究并不多，尤其是石墨烯增強鋁基復合材料才剛剛起步。因此石墨烯增強鋁硅基復合材料具有廣闊的發展前景，亟需開展下一步的研究工作。

復合材料的銑削包含復雜的熱、力、機械及其耦合現象，是一個復雜的高度非線性問題。單純的依靠實驗手段，不但耗時費力，而且加工過程中的溫度、切削力、應變等也難以準確獲得[4]。基于有限元理論Finite Element Method（FEM），運用計算機技術可再現刀具和工件相對運動的過程，克服實驗中間過程的缺陷，成為研究復合材料銑削加工的有效方法[5]。吳文政[6]利用有限元軟件Abaqus對石墨烯/Al基復合材料進行力學仿真。研究發現，隨著石墨烯含量的增加，增強體應力略有增強，而基體應力逐漸減小。Z.Yang[7]采用彈-剛性耦合有限元模擬高速切削過程。李寶棟[8]使用AdvantEdge模擬鈦合金切削，建立的主切削力二次響應回歸數學模型擬合效果顯著，且計算結果與車削實驗結果誤差小于14%。

本文采用AdvantEdge有限元軟件，對石墨烯/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料進行仿真計算。試驗首先利用粉末冶金法，經過熱壓燒結制備石墨烯增強鋁硅基復合材料。然后分別對石墨烯質量分數為0.25%、0.5%的Al-15Si-4Cu-Mg復合材料進行不同切削用量下的單因素實驗。最后結合銑削實驗與有限元仿真模擬，分析切削用量與切削力之間的關系，并探討石墨烯含量對切削力幅值波動的影響，這對后續研究和實際生產具有重要指導意義。

1 試樣制備

為探究石墨烯及其切削參數對石墨烯增強鋁硅基復合材料銑削力的影響，設計石墨烯含量不同的兩組樣品，試驗所用少層石墨烯厚度為2.5 nm，石墨烯的碳原子層數約為10。材料成分如表1所示。

表1 GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料化學成分表%

采用球磨混料法，將表1所示成分裝入混料罐中，加入球料質量比為8∶1的氧化鋯陶瓷球，固定在WAB公司生產的Turbula混合機上混料，間歇球磨分散時間為72 h，球磨機轉速為40 r/min。粉末經充分混勻后，放入真空熱壓鉬絲爐（ZR-6-8Y）中進行燒結，燒結溫度為570℃，燒結時間1.8 h，隨后水循環冷卻至爐溫低于200℃后，隨爐冷卻。兩組樣品經T4（固溶+時效）熱處理后，便獲得石墨烯質量分數分別為0.5%、0.25%的兩組樣品。

2 切削實驗與有限元仿真

2.1 切削試驗

銑削試驗在DX-600型立式銑床上進行，刀具采用YG6X硬質合金立銑刀，銑刀齒數為4，刀具直徑為8 mm，刀具前角γ為-15°，刀具后角α為15°，刃部長度為20 mm，螺旋角為35°。將工件固定在Kistler9275B三向切削力測力儀上，經YE5850型電荷放大器和INV3018型數據采集卡傳輸到計算機。

為研究石墨烯含量和切削參數對切削力的影響規律，本文選定切削速度、切削深度和石墨烯含量三個變量因素，每次實驗選取兩個水平變量，實驗參數如表2所示。

表2 銑削實驗參數

2.2 有限元仿真

2.2.1 材料的本構模型

材料的本構模型通常用溫度、應變、應變率之間的函數表示，目前常用的描述材料熱-彈塑性關系的模型主要有：Johnson-Cook模型、power-law模型、Litonski-Batra模型和Bodner-Parton模型。與其他幾種模型相比，Johnson-Cook模型綜合考慮了熱軟化、應變及應變率等因素，適應于不同的材料，涉及的參數少且易于通過實驗和查表獲得[9]。本文使用Advantage軟件仿真時即采用此模型，數學表達式為[10]：

表3 Johnson-Cook本構模型參數值

2.2.2 網格劃分

模型網格劃分是進行數值計算非常關鍵的一步，網格質量的好壞，會影響計算結果的準確性[11]。因此為得到最優化網格，采用自適應網格重劃分技術，劃分工件參數為：最大網格單元尺寸1.2 mm，最小網格單元尺寸0.15 mm，網格劃分等級G取0.53，G值決定了靠近切削刃處網格由粗到細轉換的快慢過程。本文建立的銑刀模型按實際銑刀建立，劃分刀具網格控制參數為：最大刀具網格單元尺寸為0.3 mm，最小刀具網格單元尺寸為0.03 mm，網格劃分等級G同樣取0.53。

2.2.3 材料屬性

GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg中的石墨烯納米片厚度為2.5 nm，且復合材料經過球磨分散、燒結工藝后，石墨烯會均勻地分布在鋁基體內。可以將其視為宏觀上的均質材料，為下一步的銑削仿真奠定基礎。GNFs/Al-15Si基復合材料的相應的物理參數見表4。

表4 GNFs/Al-15Si復合材料物理屬性

3 結果分析

3.1 銑削過程仿真分析

以石墨烯質量分數為0.25%，切削速度Vc為25 m/min，進給速度Vf為150 mm/min，切削深度選ap以1 mm為例，在AdvantEdge中建立銑削三維模型。下頁圖1-1、1-2展現出刀具和工件在不同階段的應力云圖，圖1-3是工件去掉網格的應力云圖。

從圖1-1、1-2可以看出銑刀切入工件，銑刀前刀面與工件相互作用形成切削的分離過程。當銑刀的切削刃接觸到工件時，被切削材料受到較大應力引起塑形變形，銑刀的前刀面與發生塑形變形的材料相互擠壓，銑刀刀刃附近的最大應力達到1 085 MPa左右，而工件受到剪切應力和沖擊載荷，最大應力幅值達到 750MPa左右，超過GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料剪切應力臨界值，導致材料分離、斷裂，形成切屑。下頁圖1-3是切削過程中工件上的應力云圖，隨著切削過程的進行，最大等效應力在切削刃處向四周擴散，面積逐漸擴大，當突破剪切帶后，切削刃處的等效應力反而減小，這是由于隨著材料進一步變形出現了熱軟化現象，工件材料承受的應力減小。

3.2 仿真與實驗結果分析

3.2.1 實驗驗證

在石墨烯質量分數為0.5%，Vc為25 m/min，Vf為150mm/min，ap為 1mm條件下，GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料實驗和仿真的主切削力結果如下頁圖2所示。通過計算模擬值與實驗值的平均誤差為12.4%、最大誤差25.3%，仿真曲線與實驗曲線雖然有一定的差值，但是總體上變化趨勢趨于一致，說明有限元仿真結果可為生產實踐提供參考依據。

圖1 0.25%GNFs/Al-15Si復合材料切削過程

圖2 切削力時域曲線

3.2.2 切削深度對切削力的影響

選取切削速度Vc為25 m/min，進給速度Vf為150 mm/min，切削深度選0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm時，兩種GNFs/Al-15Si-4u-Mg復合材料的主切削力隨切削深度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同石墨烯含量下切削力隨切削深度變化曲線

從仿真切削力曲線與實驗切削力曲線對比可以發現，切削深度對切削力有顯著影響。雖然這兩種切削力的測試方法存在著誤差，但是兩者的切削力曲線存在相似的變化趨勢，即隨著切削深度的增加，切削力呈遞增的趨勢。這是因為切削深度增大，刀具會在單位時間內承受更大面積材料的阻礙，從而使克服材料塑性變形的力增大，同時切屑與前刀面的接觸面積也會隨之增大，摩擦力增大，這兩個因素綜合在一起使銑削力增大。

3.2.3 切削速度對切削力的影響

以切削深度ap為1 mm，進給速度Vf為150mm/min，切削速度Vc為 25 m/min、40 m/min、60 m/min時，兩種GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料的主切削力隨切削速度的變化曲線如下頁圖4所示。

從圖中可以看出，主切削力Fx隨著切削速度Vc的遞增出現下降的趨勢。當切削速度增加時，切削區溫度升高，容易造成材料熱軟化，降低了切屑形成的阻力和硬質相對基體材料的耕犁作用力，同時也降低了硬質相的位移阻力，材料更容易去除，從而減小切削力。此外，由于切削速度相對偏低，切削區溫度不高，增加的溫度不足以使基體材料產生明顯的熱軟化，所以造成主切削力對切削速度的變化不敏感。

3.3 石墨烯含量對主切削力的影響

當切削速度Vc=25 m/min，切削深度ap=0.5 mm，進給速度Vf=150 mm/min時，石墨烯含量為0.25%和0.5%的主切削力的正態分布圖，如圖5所示。

圖4 不同石墨烯含量下切削力隨切削速度變化曲線圖

圖5 主切削力正態分布圖

通過正態分布圖定量計算這兩種材料主切削力的期望u和標準差σ如表5所示。

表5 期望u和標準差σ值

由表5可知，在相同的切削條件下，u1＞u2據此可以判斷，石墨烯的含量與石墨烯增強鋁硅基復合材料的銑削力有關，提高石墨烯的添加量有利于提高復合材料的硬度，材料的硬度越高銑削力就越大；但是u1＜u2，相比較而言，0.5%GNFs/Al-15Si復合材料的切削力波動小，切削過程較為平緩，說明增加石墨烯的含量可以降低切削力的波動性。

分析認為，產生波動的原因是由于復合材料的微觀組織中硅顆粒、金屬間化合物等硬質相的存在造成，當刀刃切削到較硬組織時，切削力會出現不同程度的跳動，造成力的波動。石墨烯的添加細化了組織和晶粒，降低了刀具對金屬間化合物和硬質顆粒的沖擊作用，使得切削過程變得平穩。

4 結論

本文針對石墨烯質量分數分別為0.25%、0.5%時，GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料在不同切削用量下的單因素實驗，分析出如下結論：

1）通過實驗結果與仿真模擬的切削力進行對比，驗證GNFs/Al-15Si-4Cu-Mg復合材料的三維有限元仿真的適用性。研究發現兩組樣品隨著切削深度的增加，主切削力增大；隨著切削速度的增加，銑削力減小。相比切削速度，切削深度對Fx影響最為敏感。

2）石墨烯的添加增大了切削力，但是減小切削過程中切削力的波動，降低刀具振動。這是由于石墨烯的添加細化了組織和晶粒，使得界面結合力增強，改善切削平穩性。