SiC_%28p%29_Al复合材料微弧氧化膜层单磨粒去除仿真研究.pdf

基金项目：辽宁省特聘教授资助课题收稿日期：年 月 复合材料微弧氧化膜层单磨粒去除仿真研究马原驰，于晓琳，黄树涛沈阳理工大学机械工程学院摘要：研磨是 复合材料精密加工的关键工序，针对两相力学性能相差大、研磨表面缺陷多且难度大的问题，提出通过微弧氧化形成氧化膜后再进行研磨的复合加工方法。为验证其去除效果，通过 有限元软件进行单磨粒去除仿真，基于 硬脆材料本构方程建立模型，研究相同参数下切削氧化膜不同位置时的材料去除特性及膜层特征对材料去除的影响，分析在不同切削深度下的去除特性。结果表明，材料在致密层和疏松层的去除均十分平稳，膜层越致密，切削力越大；切削到碳化硅颗粒时存在应力集中，但去除效果较好无明显的台阶缺陷。实验证明，表面微弧氧化后进行研磨精密加工方法是可行的。关键词：复合材料；有限元；仿真；微弧氧化中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言碳化硅颗粒增强铝基（）复合材料具有两相材料的优点，因其较高的比刚度、比强度、耐磨损、耐疲劳以及耐高温等优异的综合性能 ，被广泛应用在航空航天领域，并已经在卫星太阳能反射镜、空间遥感器高速扫描摆镜、空间激光反射镜及空间望远镜上投入使用 。研磨作为 复合材料光学及光电器件精密加工关键工序，其加工精度和表面质量对后续工序及光学器件的工作可靠性具有重要影响。但是因为复合材料中增强相的引入使得其内部组织结构极不均匀，基体与增强体之间的物理、力学性能截然不同 ，并且碳化硅颗粒（维氏硬度约为 ）与 合金基体（维氏硬度约为 ）不同，导致磨粒在研磨过程中的去除率存在很大差异，碳化硅颗粒周围的 合金基体易产生过量去除，使得研磨表面碳化硅颗粒突出于 合金基体，并在碳化硅颗粒与基体材料的两相界面处形成台阶缺陷，会影响后续的加工和使用。等 对三种复合材料陶瓷进行了研磨去除机理的讨论，结果证明，第二相的存在导致研磨后出现台阶，限制了表面粗糙度的下降。为保证加工后的表面质量，提出通过微弧氧化的方法在复合材料表面制备一层硬质膜层，建立碳化硅颗粒增强相与 合金基体相同性耦合研磨的力学条件和研磨条件，解决影响 复合材料加工质量和精度的问题。目前，复合材料的微弧氧化研究相对成熟。薛文斌等 ，对微弧氧化膜层的生成机理以及其表面结构进行了研究。董可可等 的研究表明，微弧氧化表面处理工艺后的零 年第 卷 件表面粗糙度更低，表面更光滑。付景国等 的研究证明，在微弧氧化陶瓷层表面磨抛时加入 自润滑粉体可使材料表面具有更加优异的抗磨损性能。研究大多集中于膜层的摩擦磨损性能，而在碳化硅颗粒增强铝基复合材料微弧氧化后进行研磨精密加工方法以及仿真模拟方面鲜有报道。本文采用 有限元分析软件并基于 （）本构模型进行 复合材料表层微弧氧化后的单磨粒磨削仿真，分析氧化膜层的去除特性以及膜层特征对材料去除的影响。?建立有限元模型微弧氧化膜层的主要成分为金属氧化物陶瓷（陶瓷）以及少量存在于复合材料表面的碳化硅增强相 ，两者均为硬脆性材料。常采用 本构模型来模拟硬脆材料在大变形、高应变率以及高压下的强度、应变率效应和损伤劣化等力学行为 。模型包括应变率、静水压力以及与损伤相关的强度模型和多项式形式的状态方程。陶瓷材料参数如表 所示。表 硬脆性材料 本构方程参数 （）（）（）（）（）因为金刚石磨粒的材料特性，其弹性模量以及屈服强度均高于氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷。为了减少有限元分析所用时间，不考虑其磨损以及变形，将其设置为刚体。因为金属基体材料未参与切削过程，所以仅设置基础参数（见表 ）。表 金刚石材料参数参数（）（）数值 根据圣维南原理 可知，被加工材料的应力和应变只集中在局部区域，而较远区域的应力和应变趋近于 。可以应用单磨粒磨削仿真方法来减少仿真的单元数量以及时间来提高仿真效率。在单磨粒磨削仿真中，磨粒的建模形状一般为圆锥体或者球头圆锥体。本文结合所使用的金刚石研磨剂的粒度尺寸，选用球头圆锥体进行建模，球头半径为 ，圆锥高度为 ，锥角为 （见图 ）。为节省仿真所用的时间并根据工件的尺寸大小，设置基体的尺寸为 。考虑到 复合材料的碳化硅体积分数在铝基体内建立碳化硅颗粒，为减少计算量，建模为球体，半径为 。使用 软件进行编程，在指定的空间范围内生成以 为半径相互不干涉的随机空间坐标。使用该坐标在 有限元软件内建立如图 所示模型。图 磨粒图 碳化硅颗粒分布金属氧化物膜层分为疏松和致密，疏松层在外部且存在孔洞 ，其厚度设为 。致密层考虑为均质体在内部与基体紧密结合，其厚度为 。在材料参数中可以通过更改弹性模量的方法来改变材料的疏松程度。如图 所示，切削疏松层时采用四面体网格，为减少仿真计算量仅将切削部分网格细化，其他位置网格相对疏松。在实际加工中氧化膜层将全部被去除，起到协同去除复合材料的效果，因此在仿真去除致密层时将致密层设为 ，其结构较为复杂，如图 所示，选用四面体网格进行网格划分。图 疏松层网格划分图 致密层网格划分结合实际加工中使用的平板研磨机的转速为 ，计算磨粒的线速度为 ，切削疏松层深度为 ，切削致密层深度为 。进行三次单磨粒切削仿真实验，分别切削疏松层、致密层以及致密层中存在较多碳化硅颗粒的位置，如图 所示，箭头表示切削路径与方向，分析氧化膜层的去除特性以及膜层特征对去除的影响。（）疏松层切削路径（）致密层切削路径未通过碳化硅颗粒工 具 技 术（）致密层切削路径通过多颗碳化硅颗粒图 切削位置?有限元结果分析?不同膜层特征切削仿真疏松层单磨粒切削仿真应力云图如图 所示，切削深度为 。在磨粒刚切入时为挤压滑擦和犁耕阶段，因材料较脆且内部存在孔洞，此阶段材料去除方式以脆性破坏去除为主，此阶段最大拉应力值为 。随着磨粒切入距离的变化，沟槽内有材料脆性破碎留下的痕迹。观察图 也可以看出，切削力在切入阶段逐渐变大，随着时间变化切削变平稳。切削力在平均值 左右浮动，并在一定范围内稳定。（）应力云图（）切削力曲线图 疏松层仿真结果与疏松层相比，致密层的去除较为复杂，碳化硅颗粒的存在直接影响切削结果。切削路径没有经过碳化硅颗粒时（见图 ）应力云图如图 所示，切削深度为 ，切入时最大应力为 ，随后进入稳定切削阶段。可以看出，去除过程相对平稳，留下较为平滑的切削痕迹。仅在磨粒切入以及切出工件的棱边时有较大破损，由图 可见，在工件表层部分位置出现膜层剥落。结合图 也可以看出，切削过程中一直存在振动，切削力也一直波动，平滑处理后可以观察到切削力在一定范围内波动直到切削过程结束。这些膜层剥落的位置均存在碳化硅颗粒，且这些颗粒高出基体的部分与氧化磨层厚度接近，使得覆盖在碳化硅颗粒上面的氧化膜层很薄，随着加工振动的加剧出现局部剥落现象。（）应力云图（）切削力曲线图 致密层仿真结果在切削路径通过碳化硅颗粒较多的位置（见图 ），其仿真结果更为复杂（见图 ）。观察图 可以看出，由于加工振动导致较薄膜层的剥落依然存在，且位置更多更明显。这是因为多次切削到碳化硅颗粒导致加工振动变化，在切削路径上的碳化硅颗粒周围区域的膜层同样被去除了小部分，形成较浅的环形纹路。对比致密层两次切削仿真的切削力曲线图 和图 可以发现，在去除微弧氧化膜层时切削力在 附近波动，在接触到完整碳化硅颗粒时切削力变大并达到峰值。（）应力云图 年第 卷 （）切削力曲线图 致密层特殊位置仿真结果?不同切削深度仿真为探究不同切削深度下工件的应力分布以及去除效果，分别在切削深度为 ，时且致密层具有较多碳化硅颗粒的位置进行切削仿真，等效应力云图如图 所示。（）切削深度 （）切削深度 （）切削深度 （）切削深度 图 等效应力云图由图 可以看出，在不同的切削深度情况下，单颗磨粒切削工件材料切削应力场的整体分布情况类似，应力均集中于磨粒正前方，整体分布情况不会因为磨削深度的变化而有较大差异。观察切削轨迹可以看出，随着切削深度的增加，已加工表面留下的沟痕变宽，且切入位置破碎痕迹明显。平均切削力的变化如图 所示，可以看出，随着切削深度的加深切削力也在增加。这是因为当其他磨削参数保持不变的情况下，磨粒切入工件的深度越大，相同时间内磨粒切除工件材料的体积越大，磨粒需要克服的力越大，所以磨粒的切削力变大。图 平均切削力变化曲线结合应力云图、平均切削力曲线以及已加工表面质量可以看出，随着切削深度的增加，切削力上升，但因为切削路径上存在不同高度的碳化硅颗粒，导致上升趋势不同。对比四组数据发现，与其他三组相比，当切入深度为 时工件已加工表面破损很少且加工轨迹边缘较为整齐；与切入深度为 相比碳化硅颗粒的去除面更为平整；当切削深度达到 时已经在碳化硅颗粒附近出现较小的破损；切削深度达到 已经发展成为裂缝并影响已加工表面的质量。根据文献 延性域切削深度公式计算可知，氧化铝陶瓷的临界切削深度理论值为 。但因为仿真脆性陶瓷材料延性域去除的过程动态变化，磨粒与工件接触的过程也是变化的，所以材料延性去除的临界切削深度也是变化的。由此可以认为，在切削深度为 时，延性去除和脆性去除同时存在。因为研磨属于精密加工，虽然 切削深度较小，但加工后工件的表面质量更为重要，因此可认为切削深度为 时的结果更为理想。?结语本文基于 本构模型仿真模拟了 工 具 技 术复合材料微弧氧化膜层的单磨粒去除的特性，为 复合材料的精密加工提供了参考。（）通过仿真结果可以看出，使用研磨方法可以将两相材料一同去除且没有明显的台阶缺陷，能够实现两相协同耦合去除。（）通过对不同特性的微弧氧化层去除仿真，分析了形貌以及切削力、应力随时间变化的规律。结果表明，在去除疏松层部分时去除稳定但材料表面存在剥落坑，除切入时外没有较大的波动。在去除致密层时，因为有少部分基体中存在碳化硅颗粒，会导致应力集中，切削力也随之升高，但去除效果较为良好。同时发现，因为碳化硅颗粒和基体的结合较为紧密，受到切削力作用时发生振动变化，会影响部分存在于基体表面的碳化硅颗粒位置的膜层，致其脱落。（）通过对不同切削深度的微弧氧化层去除仿真分析发现，随着切削深度增加，磨粒所受到的切削力增大，已加工表面沟痕更宽更明显，破损也有所增多。对比四组参数可得，切入深度为 时是延性去除和脆性去除的混合去除，材料具有更好的表面质量，可以作为未来实验参数的参考。（）本次仿真并未考虑加工参数、温度等条件对氧化膜层去除的影响，因此模型还可进一步优化。后续可以继续验证膜层的剥落与切削速度之间的关系，以及不同的加工参数和刀具角度对材料去除的影响。参考文献 衣爱丽，杜晓明，刘凤国，等 复合材料的凝胶法混料工艺研究 沈阳理工大学学报，（）：崔岩，张少卿 年材料科学与工程进展 北京：冶金工业出版社，：李瑞祥，王治易，肖杰，等 复合材料在太阳电池阵展开机构上的应用 宇航材料工艺，（）：，（）：薛文斌，吴晓玲，施修龄，等 铝基复合材料表面微弧氧化膜组织结构及其耐蚀性 复合材料学报，（）：薛文斌 颗粒增强体对铝基复合材料微弧氧化膜生长的影响 金属学报，（）：董可可，黄红武 微弧氧化表面处理工艺对零件表面粗糙度的影响 山西冶金，（）：付景国，马圣林，朱新河，等 固体润滑剂 对铝合金微弧氧化陶瓷膜摩擦学性能的影响 表面技术，（）：杜春燕，黄树涛，于晓琳，等 复合材料微弧氧化膜的组织结构及性能 复合材料学报，（）：，（）：杨震琦，庞宝君，王立闻，等 模型及其在 陶瓷低速撞击数值模拟中的应用 爆炸与冲击，（）：，（）：郭虹，宫廷，黄树涛，等 铝合金微弧氧化膜性能研究 工具技术，（）：，：第一作者：马原驰，硕士研究生，沈阳理工大学机械工程学院，沈阳市 ：，通信作者：于晓琳，教授，沈阳理工大学机械工程学院，沈阳市 ：，年第 卷