碳化硅顆粒增強鋁基復合材料因其優良的力學性能，在航空航天和交通運輸等領域得到廣泛應用，成為衛星軸承、激光反射鏡和光學座架等高要求零件的新型工程材料。該材料因為SiC顆粒的存在提高了強度、硬度和耐磨性，但由于SiC顆粒的本身特性增加了加工難度，影響了超精密切削SiCp/Al復合材料時的加工表面質量。SiCp/Al復合材料切削加工后形成的表面形貌類型多樣，不同的表面形貌類型和幾何特征對加工表面的機械物理性能產生不同的影響，因此研究SiCp/Al復合材料切削加工表面形成機理，掌握不同類型表面形貌的形成原因對改善加工表面質量具有重要意義。

利用切削加工試驗進行表面形貌形成機理研究不僅試驗周期長、費用高，且由于超精密切削SiCp/Al復合材料時加工表面形貌形成過程復雜，難以在試驗中觀察其形成機理，因此，近年來不少學者開始利用仿真軟件對SiCp/Al復合材料進行仿真分析。王陽俊利用LS-DYNA建立了SiCp/Al復合材料兩相混合模型來研究表面質量和刀具磨損，指出界面破壞、顆粒脫落、犁耕是形成表面缺陷的主要原因；王進峰等利用ABAQUS有限元軟件建立了二維仿真模型，對切屑形成過程、應力分布以及材料表面形成原因進行了分析，證明SiC顆粒的存在導致加工表面容易產生微裂紋、單一或連續空洞的現象；李桂金研究了SiC顆粒分布形式以及刀尖圓弧半徑對切屑形態和切削力的影響，表明顆粒的不同分布會對切削力和切削形態產生不同影響。

上述研究主要側重于顆粒剝離、脫落以及表面裂紋對表面形貌產生的影響，忽視了顆粒破裂影響加工表面質量的情況；并且建立的模型均為二維仿真模型，難以全面地模擬真實加工過程。本文利用ABAQUS有限元分析軟件建立了超精密切削SiCp/Al復合材料三維仿真模型，研究了刀具與顆粒相對位置的變化對顆粒破碎和加工表面形貌的影響。

1  超精密切削加工有限元模型建立

(1)幾何模型建立

仿真模型的建立采用mm、s、MPa、mm/s為單位，構建了尺寸為0.48mm×0.12mm×0.108mm的工件。將SiC顆粒形狀簡化為球體，半徑20μm，刀具前角0°，后角10°，倒角半徑0.003mm。刀具設為剛體，刀具本身不發生相對位移。為研究刀具與顆粒相對位置變化對表面形貌的影響，使SiC顆粒在基體中均勻分布，通過調整刀具位置來進行研究。在切削過程中，工件底部的六個自由度被完全約束，保證切削過程中工件不發生移動。

工件采用結構網格劃分技術，單元類型為標準線性六面體。刀具采用自由網格劃分技術，單元類型為Explict線性四面體單元。切削過程只有刀尖部分和工件接觸，網格劃分采用由密到疏的形式，以減少仿真過程的計算量。為了防止仿真過程中出現刀具陷入工件或網格畸變的情況，刀具的最小網格設置大于工件網格。SiCp/Al復合材料有限元模型見圖1。ABAQUS模擬切削仿真是個非線性的動態過程，設置分析步時選取動態顯示分析步，以更準確地表達分析過程。切削加工過程中建立刀具與切削層的面—面接觸，刀具表面設為主面，選取部分工件節點設為從面，機械約束公式為罰函數；定義接觸屬性時，在切向行為定義摩擦系數為0.25，法向行為定義硬接觸。

圖1  SiCp/Al復合材料有限元模型

(2)材料模型

工件材料為SiCp/Al復合材料，工件基體為鋁合金，增強相為SiC顆粒，將基體材料和增強相材料分開定義材料屬性更符合實際情況，可以更加真實地模擬實際材料。相關文獻的研究表明，PCD刀具能較好勝任SiCp/Al復合材料的切削加工，因此，切削刀具采用聚晶金剛石(PCD)材料。PCD材料制成的刀具被公認為超硬刀具，相對于鋁基材料和碳化硅顆粒具有很強的硬度和強度。鋁合金、SiC和PCD三種材料的參數見表1。

表1  材料參數

仿真過程中材料的失效準則對仿真結果是否真實起到了重要影響。對于斷裂延展性金屬，可以選用韌性準則(Ductile damage)和剪切準則(Shear damage)。本文對于鋁基這種塑性材料采用剪切失效準則反應切削過程中切屑與基體的分離情況，即在切削過程中，當某一點的斷裂應變達到1.5時，該點失效，即切屑與基體發生分離，同時利用Johnson-Cook材料模型表達鋁基材料的本構關系特性，其參數見表2。

表2  Johnson-Cook本構參數

2  仿真結果分析

在仿真試驗過程中，通過改變切削深度使刀具與SiC顆粒的相對位置發生變化，從而研究不同切削深度對顆粒的影響。顆粒在工件中的分布情況如圖2所示，在8種不同切削深度下，刀具相對SiC顆粒的相對位置見圖3。

圖2  顆粒分布情況

圖3  不同切削深度下刀具相對顆粒位置

(1)材料去除機理

為了研究超精密切削SiCp/Al復合材料時SiC顆粒的受力和變化情況，建立了三維微觀模型動態模擬切削過程。由于SiC顆粒包裹在鋁基材料內，難以直觀看到內部SiC顆粒的受力情況，因此將應力圖的顯示類型設為Isosurface。當切削速度2000r/min、切削深度為10μm時，SiC顆粒斷裂過程應力分布見圖4。

圖4a為刀尖開始接觸SiC顆粒時的應力云圖。刀具切削鋁基材料時，應力為750MPa左右，而SiC顆粒與刀尖接觸部分承受的最大應力值約為100000MPa；最大應力值大于SiC顆粒脆性斷裂臨界值，顆粒在發生少量形變后脆性破裂（見圖4b）。隨著刀具移動，顆粒破裂加劇，顆粒破碎部分分擔了刀具的作用力，最大應力值減小為40000MPa左右，裂紋沿最大應力向左下方不斷擴大，使裂紋貫穿球體，SiC顆粒斷裂。如圖4c所示，SiC顆粒完全斷裂前，最大應力值減小為17000MPa左右。

(a)刀具與SiC顆粒初接觸

(b)SiC顆粒破裂

(c)SiC顆粒斷裂

圖4  切削深度10μm時顆粒斷裂過程應力分布

(2)切削深度變化對表面形貌的影響

為了研究刀具與顆粒相對位置變化對表面質量的影響，進行了8組不同切削深度的仿真試驗，切削速度均為2000r/min。

切削深度為6μm時，加工后的工件表面形貌見圖5a。刀具與SiC顆粒上端接觸，對SiC顆粒和顆粒周圍鋁基體產生擠壓，鋁基體發生塑性形變，在SiC顆粒周圍形成空穴，空穴邊緣伴有少量鱗刺。當SiC顆粒上端承受的應力值超過界面破壞應力時，顆粒上端與刀具接觸部分發生破壞，部分顆粒輕微破損，部分顆粒發生較大破裂。切削深度在2-8μm時均為該種缺陷類型，切削深度由淺到深時，顆粒周圍空洞由小變大，鱗刺逐漸增多，顆粒上端破壞情況逐漸增大。

如圖5b所示，切削深度為10μm時，部分顆粒被挖出而剝離基體，工件表面出現多處凹坑，部分SiC顆粒被刀具壓如鋁合金基體內，另有部分凹坑中殘留破碎顆粒，有的顆粒斷裂口較為光滑，有些則參差不齊；當切削深度為15μm時，表面形貌與10μm時類似，出現多處凹坑且顆粒破損更為齊整，從顆粒中間斷裂，并且鋁基表面鱗刺增加，變形嚴重。

如圖5c所示，當切削深度為20μm時，表面形成顆粒被剝離后留下的凹坑，SiC顆粒受到前刀面推擠，在鋁基體上留下劃痕。切削深度為20μm時，凹坑較深，表面變形更嚴重，尤其在進刀處發生嚴重變形，SiC顆粒在基體表面留下較深的劃痕；切削深度為25μm時，留下較淺的凹坑，劃痕較淺，表面更加光滑。8組試驗最終得到了3種類型的表面缺陷：空穴、凹坑、劃痕。

(a)6μm

(b)10μm

(c)20μm

圖5  切削深度變化對工件加工表面形貌影響

由圖5可知，表面缺陷類型主要與切削深度有關，切削深度本質上是刀具與顆粒相對位置的變化。刀具除對顆粒的切削破壞作用外，也對顆粒產生橫向擠壓推動力，當切削破壞力占主導位置時，顆粒表現為破損、破碎、斷裂；當擠壓推動力占主導位置時，顆粒更容易被剝離，使表面形成凹坑。

小結

本文通過建立超精密切削加工SiCp/Al復合材料三維仿真模型，動態模擬了切削加工過程及切削加工后的工件表面形貌。仿真結果表明，SiCp/Al復合材料在切削加工過程中，SiC顆粒發生輕微破損、破碎、斷裂三種不同脆性斷裂現象；不同切削深度情況下，由于刀具與晶粒接觸位置的變化而引起SiCp/Al復合材料加工表面出現空穴、凹坑、劃痕三種不同類型的加工缺陷。