SiO2/HDPE复合材料切削仿真与试验研究

史贺飞，于保军，贾志远，于浩

（1.长春工业大学 机电工程学院，长春 130012；2.吉林江机特种工业有限公司，吉林 吉林 132000）

0 引言

聚合物基复合材料因其优异的性能而在各种工程领域得到了广泛的应用。这促使研究人员对聚合物复合材料进行了广泛的研究[1]。聚合物基复合材料具有比强度、比模量高、功能性强、加工性能好、抗振性好等优点[2]，被应用在隔离材料、航空航天零部件、电子工业、生物医学、汽车、运输、家庭常用品，此外也应用于特殊部件（飞机机翼、涡轮叶片等）[3]，逐渐成为人们日常生活中不可或缺的材料，有非常大的发展前景。

颗粒增强聚合物基复合材料（Particle Reinforced Polymer Matrix Composites，简称PRPMCs）是一种新型高分子复合材料，是指在聚合物基体中添加金属氧化物、金属粉末、陶瓷、非金属氧化物或天然填料等增强颗粒，比如二氧化硅、二氧化钛、矿物颗粒、氧化铝或氧化锌等[4]。

聚乙烯（Polyethylene，简称PE）是乙烯经过聚合反应合成的一种热塑性材料，成本低、易加工、耐化学腐蚀，是树脂材料中产量最多的一种聚合物，已经成为世界上第三种广泛使用的塑料。高密度聚乙烯（HDPE）是聚乙烯材料中的一种，具有易于成型、成本低、密度高、硬度高等特点[5]，密度通常在0.942～0.965 g/cm3之间[6]，通常应用于制造机械包装、刚性容器、管道及汽车工业等。

SiO2是一种无定形材料，化学性质稳定，它以硅酸聚合物的形式存在，应用广泛，通常来看，无机材料SiO2相比于聚合物具有较高的力学强度，因此可以作为增强颗粒填料应用于复合材料中，用于提高材料的刚度、屈服强度、断裂韧性，改善不同聚合物的力学性能。SiO2与聚合物能够产生协同效应，赋予复合材料新的性能，因而在多功能材料的方向具有巨大的潜力[7]。

SiO2/HDPE复合材料因其具有优异的力学、热学及电学等性能，已经受到广泛的关注[8]，增强颗粒的加入提高了材料的力学性能，但是会使得材料的可加工性降低，因此研究其切削加工性能具有重要的意义。

复合材料切削加工经历复杂的变形过程，成本高、周期漫长。随着有限元仿真技术在切削加工模拟中应用越来越广泛，在材料切削加工、优化切削加工参数起到了不可替代的作用[9]。本文采用ABAQUS有限元仿真软件对SiO2/HDPE复合材料进行二维正交切削仿真，使用Python算法建立随机颗粒分布，并进行材料切削加工试验，观察其加工性能。

1 材料本构参数

材料在切削加工过程中会出现弹塑性变形，涉及到温度、应变率、摩擦热等。Johnson-Cook本构模型可以完美描述材料在切削加工过程中材料的变形过程，其表达式如下：

式中：σ为等效应力；A为材料在室温和参考应变率下的屈服应力；B为硬化模量；n为硬化指数；C为应变率强化常数；ε.为等效塑性应变率；ε.0为材料参考应变率（取0.001 s-1）；Troom、Tmelt分别为室温（取20 ℃）和材料熔化温度（取130 ℃）；m为热软化常数。

通过高密度聚乙烯准静态压缩和霍普金森压杆试验得到材料力学数据，经过拟合得到高密度聚乙烯材料Johnson-Cook本构模型参数，如表1所示。

表1 J-C本构方程参数表

SiO2被认为是各向同性材料，且加工过程中不考虑其断裂，刀具选用CW硬质合金刀具。其切削仿真中所用材料基本参数如表2所示。

表2 切削仿真中所用材料基本参数

2 切削仿真模型的建立

工件仿真采用mm单位制，工件尺寸为10 mm×6 mm，颗粒直径为0.2 mm，刀具前后角均为10°，刀尖圆弧半径为0.2 mm，工件设置切削区域和非切削区域，且只在切削区域内生成随机颗粒，这样可以减少网格的数量，大大降低仿真所需要的时间，提高仿真效率。装配时，需要在刀具与工件间设置一定间隙，防止切削过程中产生干涉，影响仿真效果，装配及网格模型、接触约束及加载设置如图1所示。

图1 随机颗粒切削装配模型

3 切削仿真分析

3.1 切削仿真过程分析

图2为SiO2/HDPE 复合材料在ap=0.4 mm、v=60 m/min 下的切削仿真中切削力的变化过 程。 在t =0.36 ms时，刀具刚刚切入工件，切削力主要集中在第一变形区；刀具继续切削，当遇到颗粒时，切削力增大，颗粒被挤压，最大应力出现在颗粒附近；在t=3.786 ms时，切削路径上方的颗粒在拉压应力的作用下被剥离，切屑发生断裂；在t=9.21 ms时，切削路径上的颗粒在刀具的作用下被剥离出基体，在已加工表面留下空穴。

图2 复合材料切削过程

3.2 切削速度对切削力和切削温度的影响

图3为在不同切削深度下切削力和切削温度随切削速度的变化曲线，从图3上可以看出，切削力随着切削速度的增大呈现先升高、后降低的趋势，且切削深度越大，切削力越大，主要因为切削速度的增大导致单位时间内刀具切除的切屑体积更大，与刀具的摩擦加剧，温度升高。当切削速度增加到一定值时，切削温度更高，使得聚乙烯基体发生软化，材料剪切强度降低，所以切削力减小。由图3（b）可以看到，切削温度随切削速度增大而增大，主要因为切削速度的升高导致刀具与切屑的摩擦加剧，而且聚乙烯基体热传导系数较低，热量来不及传导，最终切削温度升高。

图3 切削力和切削温度随速度的变化

4 切削试验分析

本次试验采用铣床对SiO2/HDPE 进行切削试验，试验中切削深度ap为2 mm，切削速度v为60、90、120、150 m/min，使用AMETEK 旗下ZYGO 的3D 光 学轮廓仪测量已加工表面粗糙度，测量结果如图4 所示。从中可以看出，在其他加工参数一定的情况下，表面粗糙度随着切削速度的增加而降低，即SiO2/HDPE 复合材料切削表面质量随着切削速度的增加而逐渐变好，切削速度可以提高其表面质量。

图4 切削加工表面粗糙度

5 结论

1）使用Johnson-Cook本构建立SiO2/HDPE复合材料二维随机颗粒切削模型，模拟了切削过程，分析切削过程中切削力的变化。

2）研究发现，切削力随切削速度的增大而呈现先增大、后降低的趋势，切削温度随切削速度的增加而出现升高的趋势。

3）通过对复合材料进行加工试验，测量已加工表面质量，发现切削速度可以改善复合材料加工表面质量。