研磨SiCp/Al復(fù)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159）

0 引言

由于SiCp/Al復(fù)合材料的耐疲勞性優(yōu)異，且具有低熱膨脹系數(shù)、較高的比剛度和比強(qiáng)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(guān)注。通過精密、超精密加工獲得的SiCp/Al復(fù)合材料零部件被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星軸承/天線、激光反射鏡、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等[3]。現(xiàn)階段SiCp/Al復(fù)合材料的應(yīng)用往往對其表面精度的要求很高，而SiCp/Al復(fù)合材料各向異性，直接加工很難保證其精度，SiC增強(qiáng)顆粒與Al基體的性質(zhì)差異巨大，因此在加工SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)為了保證其加工表面的完整性，使用何種方式對SiC增強(qiáng)顆粒延性去除就顯得尤為重要[4]。于是提出通過對SiCp/Al復(fù)合材料表面進(jìn)行氧化處理，在表層形成氧化陶瓷膜，從而在SiCp/Al復(fù)合材料研磨表層建立SiC顆粒增強(qiáng)相與Al合金基體相同性耦合去除的力學(xué)條件。SiCp/Al復(fù)合材料微弧氧化膜為氧化鋁陶瓷是硬脆性材料，國內(nèi)外多位學(xué)者利用理論分析和有限元仿真等方法，對SiCp/Al復(fù)合材料微弧氧化膜相似材料的去除機(jī)理和其延性去除的力學(xué)條件等進(jìn)行了大量的研究。其中Lambropoulos[5]的研究結(jié)果表明增加延性系數(shù)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(shí)亞表面的損傷深度隨著磨粒粒度、壓強(qiáng)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(qiáng)，而其他3種因素對研磨時(shí)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(shù)對表面形貌及切削力的影響為：材料>切深>進(jìn)給速度。張珂等[8]研究得出在研磨過程中研磨盤轉(zhuǎn)速和壓力對陶瓷表面質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行研究驗(yàn)證，通過改變工藝參數(shù)（研磨壓力、金剛石磨粒粒度、研磨速度）研磨SiCp/Al復(fù)合材料微弧氧化膜層，分析氧化陶瓷膜表面應(yīng)力情況，以及工藝參數(shù)對研磨時(shí)切削力的影響，為研磨加工脆硬性質(zhì)材料研磨加工提供參考依據(jù)。

1 單磨粒研磨仿真模型的建立

由于SiCp/Al復(fù)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(gòu)模型，JH-2模型是在JH-1模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，用來模擬脆性材料的應(yīng)變率效應(yīng)，以及在高壓高應(yīng)變率條件下發(fā)生大變形時(shí)的材料強(qiáng)度變化、材料的損傷與劣化效應(yīng)等力學(xué)行為[11]。

SiCp/Al復(fù)合材料微弧氧化膜材料JH-2本構(gòu)模型參數(shù)與SiC顆粒材料JH-2本構(gòu)模型參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料本構(gòu)JH-2材料參數(shù)

由于SiCp/Al復(fù)合材料由Al基體和SiC顆粒組成，所以，在建模時(shí)為了準(zhǔn)確表示碳化硅顆粒位置，在鋁基體內(nèi)按照SiC體積分?jǐn)?shù)建立碳化硅顆粒，使用MATLAB軟件進(jìn)行編程，在指定的空間里生成互不干涉的隨機(jī)的空間坐標(biāo)來確定碳化硅顆粒的位置，其上層為SiCp/Al復(fù)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(gòu)相同），下層則是SiCp/Al復(fù)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(jìn)行模擬，于是為了更為直觀地表示仿真結(jié)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(jié)合圣維南原理[14]，工件被加工時(shí)其應(yīng)變和應(yīng)力都只集中于材料的被加工區(qū)域，而距離材料加工點(diǎn)較遠(yuǎn)位置的應(yīng)力和應(yīng)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(shí)保證仿真的正確性，只對工件的加工區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行密集劃分。由于氧化鋁陶瓷的屈服強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)所用時(shí)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(shù)。

表2 金剛石磨粒材料參數(shù)

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(yùn)動(dòng)切削工件，但磨粒與工件接觸的實(shí)際長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磨粒對工件的切削深度，便將這個(gè)過程簡化為磨粒沿直線切削工件。由于在研磨實(shí)驗(yàn)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(gè)方向自由度。磨粒設(shè)置為剛體，限制除z方向外的其他5個(gè)自由度。使磨粒沿著z軸做研磨工件的運(yùn)動(dòng)。磨粒與工件采用面-面接觸，接觸設(shè)置摩擦為罰摩擦，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.1。在網(wǎng)格劃分方面，由于材料模型為復(fù)合材料模型，為了網(wǎng)格過渡更加完整，采用四面體劃分方式，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為44 345個(gè)，單元個(gè)數(shù)為244 653個(gè)。提交作業(yè)時(shí)，先建立job，然后導(dǎo)入工作目錄，生成inp文件，工件材料本構(gòu)模型Johnson-Holmquist ceramic（JH-2）模型在inp中進(jìn)行修改，修改完成inp文件后，提交仿真，得到結(jié)果。由于氧化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)較小，力學(xué)性能穩(wěn)定，而且單顆磨粒研磨時(shí)磨粒與工件的接觸面積極小，磨粒與工件的接觸時(shí)間極短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磨粒轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間，因此在研磨過程中產(chǎn)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(jìn)行時(shí)磨粒沿著z軸做直線研磨工件的運(yùn)動(dòng)。本文采用單因素的方式，選取不同的工藝參數(shù)，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(jìn)行單磨粒研磨仿真。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 單磨粒研磨SiCp/Al復(fù)合材料微弧氧化膜表面應(yīng)力分析

單顆金剛石研磨SiCp/Al復(fù)合材料微弧氧化膜時(shí)，隨著金剛石磨粒研磨運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，工件材料不斷發(fā)生變形破壞，其去除的方式與其應(yīng)力所產(chǎn)生的區(qū)域也在不斷地發(fā)生變化，因此根據(jù)時(shí)間截取工件發(fā)生形變時(shí)的應(yīng)力云圖，在仿真工藝參數(shù)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(shí)的工件變形與應(yīng)力云圖，如圖4、圖5所示。從圖4（a）能夠看出，此時(shí)磨粒剛剛開始對工件進(jìn)行研磨運(yùn)動(dòng)，由于磨粒的擠壓作用，工件與磨粒的接觸位置產(chǎn)生了微小的變形，此時(shí)材料處于彈-塑性形變的階段，隨著研磨的繼續(xù)進(jìn)行，工件由于磨粒的擠壓發(fā)生破碎，此時(shí)應(yīng)力最大的位置為磨粒切入點(diǎn)的下方，為476.22 MPa。隨著磨粒不斷切入工件，工件接觸應(yīng)力隨著磨粒研磨工件，而發(fā)生側(cè)面向底部沿著磨粒切入方向的擴(kuò)展，此時(shí)最大的應(yīng)力出現(xiàn)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(yīng)力偏小，是由于在磨粒切入工件時(shí)，工件表面發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致應(yīng)力變小。當(dāng)磨粒整個(gè)切入工件時(shí)，應(yīng)力沿著磨粒的研磨方向進(jìn)行拓展，僅僅有很小的應(yīng)力向工件下方拓展（如圖5（a））。當(dāng)磨粒開始切出工件，會發(fā)現(xiàn)工件先由于擠壓而發(fā)生塑性變形，然后工件發(fā)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(yīng)力繼續(xù)沿著磨粒的前方、側(cè)面和底部擴(kuò)展，此時(shí)最大的應(yīng)力一般是由磨粒的擠壓導(dǎo)致工件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)磨粒完全切出工件后，磨粒和工件不再進(jìn)行作用，由圖5（e）可以看出在其表面有一定范圍的殘余應(yīng)力。

圖4 單顆磨粒切入過程工件變形及應(yīng)云圖

圖5 單顆磨粒切出過程工件變形及應(yīng)力云圖

單顆金剛石磨粒研磨SiCp/Al復(fù)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(chǎn)生磨屑的過程中，工件會與磨屑產(chǎn)生一定的沖擊，造成應(yīng)力在研磨的過程中改變，而在磨粒造成工件破碎后，可以導(dǎo)致材料的最大等效應(yīng)力突然減小，因此在研磨的過程中會發(fā)生應(yīng)力的突然變化。根據(jù)圖5（e）可以看出，單磨粒研磨SiCp/Al復(fù)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(dǎo)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(fù)合材料微弧氧化膜切削力的影響

當(dāng)研磨壓力F為0.2 N，磨粒粒度為W為14 μm時(shí)，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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到Fz的穩(wěn)定平均切削力與研磨速度之間的關(guān)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(diǎn)：一是SiCp/Al復(fù)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(jù)沖擊動(dòng)力學(xué)理論，高應(yīng)變率下材料的應(yīng)變強(qiáng)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(qiáng)，材料對磨粒切削時(shí)產(chǎn)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(guān)系發(fā)現(xiàn)，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(fù)合材料微弧氧化膜切削力的影響

當(dāng)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(shí)，對仿真得到的沿磨粒研磨方向切削力Fz進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到Fz的穩(wěn)定平均切削力與研磨壓力之間的關(guān)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(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其穩(wěn)定平均切削力在研磨壓力F為0.2 N時(shí)最小，在0.8 N時(shí)最大，其中在F為0.2 N增大到0.4 N時(shí)變化最為明顯。出現(xiàn)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(dǎo)致磨粒的切削力變大。

2.4 磨粒粒度對單磨粒研磨SiCp/Al復(fù)合材料微弧氧化膜切削力的影響

當(dāng)研磨速度為360 r/min，研磨壓力F為0.2 N時(shí)，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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到Fz的穩(wěn)定平均切削力與研磨時(shí)金剛石磨粒粒度之間的關(guān)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(xiàn)=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(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，穩(wěn)定的平均切削力在磨粒粒度W為0.5 μm時(shí)最小，在14 μm時(shí)最大。出現(xiàn)這種情況的主要原因是，由于其他條件一定，當(dāng)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(jié)果與文獻(xiàn)[18]通過單磨粒切削氧化鋁陶瓷實(shí)驗(yàn)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(jié)論基本一致，證明了仿真具有一定的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文基于有限元仿真軟件ABAQUS，采用Johnson-Holmquist ceramic（JH-2）本構(gòu)模型建立了單磨粒研磨SiCp/Al復(fù)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(yīng)力，并通過改變仿真工藝參數(shù)，得到其與單磨粒仿真切削力的關(guān)系，結(jié)論如下：

1）研磨SiCp/Al復(fù)合材料微弧氧化膜時(shí)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(nèi)部，有少量細(xì)小的裂紋和塑性變形，其表面應(yīng)力也存在波動(dòng)變化，基本由于脆性材料加工時(shí)的材料破碎造成的。

2）通過單因素仿真實(shí)驗(yàn)，得到工藝參數(shù)與單磨粒切削力的關(guān)系：當(dāng)其他條件一定時(shí)，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。