高体分SiCp/Al复合材料薄壁小孔钻削工艺机理与实验研究
2022-02-12高奇荆小飞李文博郭光岩
高奇，荆小飞，李文博，郭光岩
高体分SiCp/Al复合材料薄壁小孔钻削工艺机理与实验研究
高奇，荆小飞，李文博，郭光岩
（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）
研究高体分SiCp/Al2024复合材料小孔钻削表面质量和出入口棱边缺陷形貌，为钻削加工提供一定理论基础。用ABAQUS软件对薄壁板钻削加工的整个过程进行三维仿真模拟，采用直径为3 mm的PCD钻头对70%（体积分数）的SiCp/Al复合材料薄壁件进行钻削，采用单因素实验方案，通过改变主轴转速和进给速度检测复合材料已加工表面棱边的缺陷，并通过钻削实验验证有限元仿真的正确性。薄壁小孔钻孔形成的过程中，表面会出现大量的凹坑、裂纹及划痕。当主轴转速为3000、4000、5000 r/min，进给速度f为0.05、0.1075、0.1 m/min时，小孔内表面的粗糙度随主轴转速和进给速度的增大而明显降低。发现进给速度是影响钻削棱边缺陷质量的主要原因之一，随着进给速度的增大，断裂缺口的缺陷越明发显，毛刺的高度和厚度逐渐增加，缺陷越发严重；主轴转速对棱边缺陷质量的影响较小，主轴转速增大，颗粒与基体产生变形的现象较少，毛刺的高度和厚度也逐渐减小，材料脱离及断裂缺口现象得到明显改善。当主轴转速为5000 r/min、进给速度为0.1 m/min时，加工表面较为光滑，材料的表面形貌较好，粗糙度为1.331 μm。棱边缺陷随进给速度的增大和主轴转速的减小变得严重。
SiCp/Al复合材料；表面粗糙度；棱边缺陷；钻削仿真；单因素法
SiCp/Al复合材料是以SiC颗粒为增强相、铝合金为基体的新型复合材料[1]，具有线膨胀系数低、热导率高、密度小、耐磨性好、比强度和比刚度高等优点[2-3]。这种材料相比于纤维增强复合材料，易于制造，成本较低，在先进武器系统、汽车、光学精密仪器、电子封装和体育用品等领域有广阔的应用前景[4]。由于SiCp/Al复合材料中含有SiC硬颗粒[5]，导致SiCp/Al复合材料的切削加工性较差，从而限制了该材料的应用[6-9]。故掌握不同类型表面形貌的形成原因，对改善加工表面质量具有重要意义[10]。
高硬度脆性的SiC颗粒会导致车削、铣削、磨削、钻削过程中刀具磨损加剧和加工表面缺陷激增[11]，国内外学者在这些方面做了大量研究。晏义伍等人[12]通过试验和数值模拟，发现SiC颗粒的尺寸对SiCp/Al复合材料的力学行为有明显影响。于晓琳、黄树涛等人[13-14]对SiCp/Al复合材料薄壁圆弧板钻孔时切削速度和进给量对变形的影响规律进行了研究，发现切削速度对变形影响不大，最大变形量随进给量的增加而增大。赵鹏等人[15]研究了4.6 mm的PCD钻头钻削56%（体积分数）的SiCp/Al复合材料时入口棱边缺陷形貌及形成机理。南晓辉等人[16]用实验加仿真的方法，研究了3 mm直径小孔钻削的入口棱边缺陷形貌、形成机理，并对比了PCD钻头和硬质合金钻头加工内表面形貌、表面粗糙度和切屑形貌的问题。许幸新等人[17]使用不同材质的硬质合金麻花钻，对两种不同含量的SiC颗粒增强铝基复合材料进行了普通钻削与超声振动钻削的对比试验。王泽诚等人[18]针对65%（体积分数）的SiCp/Al复合材料，研究了2 mm小孔钻削的钻孔机理和刀具性能。印度学者Basavarajappa等[19]利用正交试验和方差分析的方法，研究了加工参数对钻削力、表面粗糙度和毛刺高度的影响，得出进给量对加工质量的影响最为明显。土耳其菲拉特大学的Tosun[20]对影响SiCp/Al复合材料表面粗糙度的工艺参数进行了统计分析，确定最重要的因素是进给量和刀具类型，并得到了最优的工艺参数。胡芳等人[21]针对高体分比的SiCp/Al复合材料进行研究，利用正交试验和方差分析的方法研究了加工参数对钻削力的影响及进出口缺陷的形成机理。孙素杰等人[22]研究了钻孔过程中钻削轴向力和扭矩的变化特性，以及不同主轴转速和进给速度下钻削轴向力和扭矩的变化规律，分析了不同主轴转速下钻屑形态的变化特性。通过以上分析可以看出，对于钻孔工艺的研究对象大多都集中在中低体分的SiCp/Al复合材料上，工件较厚、孔径较大，而对于高体分的SiCp/Al复合材料薄壁小孔的钻削研究比较少。笔者采用单因素法对高体分的SiCp/Al复合材料薄壁小孔进行钻削仿真和实验，研究了各切削用量对表面完整性的影响规律，对切削工艺的探究提供了一定的借鉴[23]。
1 钻削仿真
1.1 有限元模型的建立
实验所使用的材料是SiCp/Al复合材料薄壁板，用ABAQUS软件对切削加工的整个过程进行三维仿真模拟。把薄壁板定义成等效均质的模型，在ABAQUS有限元软件中建模。钻头用Solidworks软件建模，为简化运行时的计算量，取包含刀具尖端在内的一部分用于仿真分析。薄壁件基本尺寸为30 mm×30 mm× 2 mm，刀具选用直径是3 mm的直刃PCD钻头。在钻削仿真中，把刀具设定成主动件，在薄壁板的中心处围绕着轴按照顺时针的方向进行旋转，与此同时，沿着轴的负方向运动。薄壁板设定成从动件，将四个侧面完全固定。钻头用C3D10M四面体网格，薄壁板用C3D8R六面体网格。三维图、网格划分及工件约束模型如图1所示。
1.2 设置SiCp/Al复合材料属性
本次实验采取SiCp/Al 2024新型复合材料作为研究对象，其中碳化硅占比70%，增强基颗粒的大小在60 μm左右。工件材料的特性没有将Al基体和SiC颗粒分别定义，本文按整体等效均质薄壁件来定义SiCp/Al复合材料。钻头是金刚石PCD刀具，将钻头设置成离散刚体。SiCp/Al 2024复合材料特性的部分参数如表1所示，Johnson-Cook参数数值如表2所示。
图1 网格划分及工件约束模型
1.3 钻削仿真条件与方案
采用单一变量法来设计仿真实验，PCD钻头的直径为3 mm。主轴转速、进给速度分别取3个水平，钻削仿真实验方案及切削参数如表3所示。
表1 SiCp/Al复合材料的属性
Tab.1 Material properties of SiCp/Al composites
表2 SiCp/Al复合材料的Johnson-Cook本构模型参数
Tab.2 Parameters of Johnson-Cook constitutive model for SiCp/Al composites
表3 钻削仿真实验方案及切削参数
Tab.3 Drilling simulation experiment scheme and cutting parameters
1.4 仿真结果分析
1.4.1 工件变形及应力分析
在钻孔过程中，工件会发生变形。当主轴转速为4000 r/min、f为0.1 m/min时，得到不同时刻工件的变形云图（图2）、在不同时刻工件的应力云图（图3）以及仿真结束时的工件剖视图（图4）。
由图2a、3a可以得到，刀具的横刃刚接触薄壁件的上表面时，其变形量的最大值是0.3 mm，应力最大为737.5 MPa；随着钻削的逐步进行，薄壁板的变形量及其最大应力逐渐变大。由图2b、3b可以得到，在刀具的横刃没有穿透薄壁件时，其变形量最大为2.5 mm，应力最大为815.9 MPa。由图2c、3c可以看出，当刀具的横刃钻到薄壁件的下表面时，其变形量最大值为4.0 mm，应力值开始有所减小，最大为774.7 MPa。由图4可以看出，钻削完成后，剩余的材料比较薄时，在轴向力和刀具横刃挤压的作用下，出口处形成了明显的凸起，出现了挤压、破碎的状态，破碎后的材料在轴向的支撑力不足，使其出现了向下弯曲的趋势，最后形成较大的毛刺，可以看到在工件底部孔的出口棱边有明显的毛刺。
图2 不同时刻工件变形云图
图3 不同时刻工件应力云图
图4 仿真结束时的工件剖视图
1.4.2 切削参数对进出口毛刺高度的影响
在钻削过程中，毛刺严重影响了工件的装配、工作性能以及工件的使用寿命[24-25]。在保证薄壁板长度、厚度、约束条件变量不变的情况下，分别研究不同的主轴转速和不同的进给速度对出口毛刺的影响。钻削模拟毛刺形貌如图5所示。
对比图5a、b、c可以看出，随着主轴转速的增大，毛刺的高度从0.3 mm逐渐减小至0.05 mm。主轴转速的不断增大，导致了摩擦的加剧，使切削区域的局部温度变高、工件软化、硬度减小。在刀具轴向力的影响下，挠曲变形量越来越小，剩余的没有被切除的工件材料减少，使毛刺的尺寸变得越来越小。对比图5b、d、e可以看出，随着进给速度的增大，毛刺的高度从0.04 mm逐渐增大至0.25 mm，随着进给速度的不断增大，导致钻削层的厚度不断增加，使薄壁件的末端未能被完全切除，使最终得到毛刺的尺寸变得越来越大。
图5 钻削模拟毛刺图
2 实验
2.1 材料
以SiC为增强颗粒、铝为基体的复合材料在电镜下观察结果如图6所示。工件中含有SiC颗粒，其中增强基颗粒的粒径在60 μm左右，这也正是该材料塑性及延展性较低的原因之一。
图6 70% SiCp/Al复合材料的微观组织结构
2.2 实验装置
实验采用北京精雕立式加工中心Carver400GA数控机床，工件为薄壁件，规格为30 mm×30 mm× 1.5 mm，刀具选用直径为3 mm的PCD钻头，钻削方式是干式钻削，试验系统如图7所示。
图7 钻削试验系统图
2.3 实验方案
为了研究钻孔过程中主轴转速、进给速度的影响，针对内孔质量及进出口棱边缺陷设计了一组单因素试验，采用北京精雕立式加工中心Carver400GA数控机床，共加工9个孔，实验参数如表4所示。
表4 钻削实验参数
Tab.4 Parameters of drilling experiment
2.4 检测方案
在显微镜下观察材料的进出口棱边缺陷形貌。用线切割将材料分为两部分，材料切削加工表面的粗糙度值使用真实色共聚焦显微镜测量，共检测9组实验数据；材料已加工表面和出口棱边缺陷的微观形貌使用Zeiss SIGMA 500场发射扫描电子显微镜观察，分别得到2组、3组实验数据。
3 结果及分析
3.1 切削参数对表面形貌及粗糙度的影响
图8为进给速度f和主轴转速对工件内孔表面粗糙度的影响规律。由图8可以看出，主轴转速是影响表面粗糙度最显著的因素，当主轴转速变大时，表面粗糙度的变化明显，当主轴转速为5000 r/min时，最小。进给速度对内孔表面粗糙度值的影响次之，随进给速度值的增大，内孔已加工表面粗糙度的值变小，在进给速度f为0.1 m/min时，最小。通过图8可以看出各因素对内孔表面粗糙度的影响，当主轴转速为5000 r/min、进给速度为0.1 m/min时，加工表面较为光滑，材料表面形貌较好，为1.331 μm，表面粗糙度显微结构及加工表面的三维形貌如图9所示。
图8 进给速度和主轴转速对工件表面Ra值的影响规律
图9 三维形貌
从图10可以看出，钻孔形成的过程中，表面会出现大量的凹坑、破碎的颗粒及划痕。在钻削过程中，钻头钻到SiC颗粒周围时，SiC颗粒四周的把持力比较弱，使SiC颗粒被拔出薄壁板的已加工表面，进而留下凹坑，如图10中a所示。在钻削工件时，颗粒和基体发生变形，使SiC颗粒部分破碎，压入加工表面，如图10中b所示。已加工表面的孔壁上有沿钻头旋转方向移动、碾压的痕迹，形成不同长度的划痕，如图10中c所示。工件表面的缺陷越多，工件的加工质量越差。
当主轴转速为5000 r/min、进给速度为0.1 m/min时，得到图11中测试点1、2的材质元素能谱。检测点1、2是材料已加工表面中两种不同的缺陷类型。检测点1为SiC颗粒及切屑被压入已加工表面的元素分布；检测点2是已加工表面颗粒破碎处的元素分布，其主要元素为C、O、Al和Si。在检测点1处可以看出，Al元素占比为14.46%，C元素占比为26.8%，Si元素占比为8.38%，可以判断出铝基表面附着的碳化硅颗粒压入已加工表面。在检测点2处可以看出，Al元素占比为3.49%，C元素占比为21.98%，Si元素占比为56.89%，可以看到破碎的SiC颗粒的材质元素，验证了该复合材料是高体分的特性。加工前，原始表面的氧元素占比是18.72%，加工后占比是50.36%，证明钻削后发生了氧化反应。
图10 表面缺陷检测
图11 材料已加工表面材质元素检测能谱图
3.2 切削参数对进出口棱边缺陷的影响
图12是出入口的整体形貌。材料中SiC颗粒尺寸较大，体积分数较高，导致颗粒间的间距变小，所以使材料的内部有较大的应力集中，致使材料的出口侧容易脆断。通过观察图12a、b可以得到，钻孔出口处棱边的缺陷比入口处严重，在钻头钻出工件时，棱边上的材料沿切出时的方向从主体上分离，对脆性较大的复合材料而言，更容易造成表面部分材料脱离及断裂缺口。
图13为出口棱边缺陷局部形貌。当为3000 r/min、f为0.05 m/min时，最大变形距离是60 μm；当为3000 r/min、f为0.075 m/min时，最大变形距离是40 μm；当为3000 r/min、f为0.1 m/min时，最大变形距离是20 μm。通过图13a、b、c对比可以得出，进给速度对薄壁板棱边缺陷形貌的影响较严重，随着进给速度的增大，断裂缺口的缺陷更能得到控制。因为速度越小，切削的时间就会相对变长，裂纹会扩展到小孔的外面一侧形成大片缺口，SiC颗粒会发生脱落致使凹坑增多。在钻削工件时，钻头和薄壁件的挤压和切削使SiC颗粒和Al基体之间发生变形，在SiC颗粒和Al基体结合的地方会造成位错堆积使应力集中。当切削速度比较大时，SiC颗粒和Al基体之间发生变形的情况较少，材料脱离及断裂缺口现象得到明显的改善，出口孔质量较好。
图12 出入口整体形貌图
图13 出口棱边缺陷局部形貌图
4 结论
1）在钻削工件时，刀具的横刃在没有穿透薄壁板但到达下表面时，变形最大。随着刀具前进，钻削逐步进行，薄壁板变形量随刀具的横刃钻到它的下表面时达到最大，薄壁板的应力在刀具的横刃未穿透工件时增大，之后随钻头钻出工件时减小。
2）在钻削工件时，保持进给速度不变，当主轴转速增大时，表面粗糙度的值减小；保持主轴转速不变，随进给速度逐渐变大，表面粗糙度的值越来越小。在本实验中，表面粗糙度的最优参数组合是主轴转速为5000 r/min、进给速度为0.1 mm/min。此时表面质量较好，为1.331 μm。
3）钻孔形成的过程中，表面会出现大量的凹坑、破碎的颗粒及划痕。在对工件进行钻孔的过程中，因为SiC颗粒会发生一系列的旋转、移动，进而得到不连续的孔洞，使工件的加工表面质量较差。
4）通过对仿真和实验的结果进行对比得出，钻孔出口处的棱边缺陷比入口处的棱边缺陷严重。主轴转速增大，毛刺的高度逐渐减小；进给速度越大，毛刺的高度逐渐增加，进出口孔棱边缺陷越严重。
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Mechanism and Experimental Study of Thin Wall Hole Drilling Technique of High Volume Fraction SiCp/Al Composites
,,,
(School of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)
The work aims to study the surface quality of high volume fraction SiCp/Al 2024 composite hole drilling and the edge defect morphology of entrance and exit, and to provide a theoretical basis for drilling. ABAQUS software is used to simulate the whole process of drilling on thin wall plate. A PCD bit with a diameter of 3 mm is used to drill the SiCp/Al composite thin wall parts with a volume fraction of 70%. A single factor experiment scheme is used to detect the edge defects of the machined surface of the composite by changing the spindle speed and feed speed. The correctness of finite element simulation is verified by drilling experiment. There are a lot of pits, cracks and scratches on the surface during the drilling of thin-wall holes. When the spindle speedis 3000 r/min, 4000 r/min and 5000 r/min; the feed speedfis 0.05 m/min, 0.1075 m/min and 0.1 m/min, the roughness of the inner surface of the small hole is obviously improved with the increase of the spindle speed and feed speed. The feed speed is one of the main reasons to affect the quality of drilling edge defects. With the increase of feeding speed, the defect of fracture notch becomes more obvious, and the height and thickness of burr gradually increase, and the defect becomes more serious. The influence of the spindle speed on the quality of the edge defect is small. The larger the spindle speed is, the deformation between the particle and the matrix is less, the height and thickness of the burr gradually decrease, and the material disconnection and fracture notch phenomenon are obviously improved. When the spindle speed is 5000 r/min and the feed speed is 0.1 m/min, the machined surface is smooth, the surface morphology is good, and the roughness is 1.331 μm. The edge defect becomes more serious with the increase of feed speed and the decrease of spindle speed.KEY WORDS: SiCp/Al composites; surface roughness; edge defect; drilling simulation; single factor method
2021-06-28；
2021-09-23
GAO Qi (1981—), Male, Ph. D., Associate professor, Research focus: mechanical CAD/CAM, precision and ultra-precision machining.
高奇, 荆小飞, 李文博, 等. 高体分SiCp/Al复合材料薄壁小孔钻削工艺机理与实验研究[J]. 表面技术, 2022, 51(1): 202-211.
TG52；TH161
A
1001-3660(2022)01-0202-10
10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.021
2021-06-28；
2021-09-23
国家自然科学基金（51905083）；辽宁省博士启动基金（2019-BS-123）；辽宁省兴辽人才计划XLRC（1907122）
Fund：National Natural Science Foundation of China (51905083), Liaoning Province Doctoral Startup Fund (2019-BS-123), Talent Plan for Xingliao in Liaoning Province XLRC (1907122)
高奇（1981—），男，博士，副教授，主要从事机械CAD/CAM、精密与超精密加工。
GAO Qi, JING Xiao-fei, LI Wen-bo, et al. Mechanism and Experimental Study of Thin Wall Hole Drilling Technique of High Volume Fraction SiCp/Al Composites[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 202-211.
