超声振动钻削SiCp/Al复合材料有限元仿真分析

付宏鸽　何广腾　白帆　孙青杰　郝辰洪

【摘   要】   SiCp/Al复合材料是一种优异的轻质高强材料，超声振动钻削与普通钻削相比切削加工效果好，可有效减少切削力、切削热，提高工件的加工质量。采用大型有限元仿真软件Abaqus建立轴向超声振动钻削仿真模型，对超声振动钻削过程中的应力进行分析，結果显示轴向超声振动钻削能有效降低SiCp/Al复合材料加工时的应力。仿真结果表明，轴向振动钻削能够减小钻孔过程中的应力，减小断屑宽度，为SiCp/Al复合材料切削加工提供技术支撑。

【关键词】   SiCp/Al复合材料;超声振动钻削;有限元仿真;加工应力

Finite Element Simulation of Axial Vibration Drilling SiCp/Al

Fu Hongge He Guangteng Bai Fan Sun Qingjie Hao Chenhong

（1.North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China;

2.Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China）

【Abstract】    SiCp/Al is an excellent light and high strength material. Compared with ordinary drilling， ultrasonic vibration drillings cutting effect is better， which can effectively reduce the cutting force and cutting heat and improve the processing quality of the workpiece. In this paper， finite element simulation software of Abaqus is adopted to establish the axial ultrasonic vibration drilling， a simulation model of the stress in the process of ultrasonic vibration drilling is analyzed， the results show that the axial ultrasonic vibration drilling can effectively reduce the stress of SiCp/Al processing， the simulation results show that the axial vibration drilling can reduce the stress in the process of drilling， reduce the length of the chip breaker， it provides technical support for the cutting of SiCp/Al composites.

【Key words】     SiCp/Al composites; ultrasonic vibration drilling; finite element simulation; machining stress

〔中图分类号〕  TH164                〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2022）02- 0019 - 03

0      引言

SiCp/Al复合材料是一种比强度、比模量、断裂韧性和耐磨性较好的金属基复合材料，被广泛应用于航空、航天、汽车等工业行业中[1]。然而SiCp/Al复合材料硬度高和各向异性的特点，使得其在普通切削加工时加工性能和加工表面完整性较差，钻削加工效果更难以控制，因此采用轴向超声振动进行辅助钻削成为一种趋势。有限元仿真可对工艺参数进行高效优化，节约成本和时间，是目前进行工艺设计和控制的有效方法。

现阶段，许多学者对SiCp/Al复合材料超声振动辅助车削和铣削进行了大量的研究。其中，马亚健等[2]对纵扭复合振动铣削SiCp/Al复合材料进行了试验研究，为超声振动铣削加工工艺参数优化提供了试验数据。王泽亮等[3]通过建立SiCp/Al复合材料的车削仿真模型，研究了工艺参数对切削温度的影响。王俊磊等[4]建立了SiCp/Al复合材料椭圆振动车削的仿真模型，提供了优化的加工参数。Davim等[5]进行钻削和车削加工SiCp/Al复合材料的试验，研究了刀具磨损和切削力之间的关系。

SiCp/Al复合材料的超声振动钻削、车削、铣削试验研究较多，车削和铣削仿真也有相关报道，但由于超声振动钻削有限元仿真模型复杂，涉及边界条件繁琐，故见报道较少。本文通过建立体积分数为40%的SiCp/Al复合材料轴向超声振动钻孔有限元仿真模型，对超声振动过程中的应力分布进行分析，对比普通钻削仿真结果可见，轴向超声振动钻削能够减小钻孔过程中的应力，减小切屑宽度。

1     超声振动钻削机理

普通钻削过程中钻头的运动可以分解为轴向的进给运动和自身的旋转运动。钻头的主切削刃外径一点的轨迹方程如式（1）所示。5831760F-8CE3-4ADD-9B8A-586364E6592E

根据相关参数绘制出刀具在普通钻削和轴向振动钻削情况下钻头的轴向运动轨迹图，如图1所示。其中a为普通钻削钻头位移图，b为轴向超声振动钻头位移图。从图1中可以看出，普通钻削时钻头与工件之间始终接触，轴向超声振动时钻头与工件间断接触，切屑的厚度在持续变化。

2     有限元建模

采用Abaqus建立体积分数为40%的SiCp/Al复合材料轴向超声振动加工的三维有限元模型。

2.1   几何模型

选用直径为4.2mm的麻花钻，材料为硬质合金，对钻头刀杆部分进行简化，只建立对应力影响大的钻头部分。工件为直径5mm的圆柱体，在工件表面预制一个锥状的凹面加工表面以实现稳定钻孔。在进行网格划分时，采用分区域划分方式，对钻头和工件锥凹面接触部分进行细化，实现快算计算。如图2所示，（a）和（b）分别为刀具和工件几何模型及网格划分图。

2.2   本构模型

结合SiCp/Al复合材料特点，选用Johnson-Cook模型等效均匀模型做为材料的仿真模型[6]，故其流动应力可表示为式（3）。

2.3   分离准则

3     有限元仿真结果分析

普通钻孔与轴向超声振动钻孔刀具与工件的接触方式不同，故其产生的应力不同，应力的大小一定程度上反映了切削过程中切削力和切削水平的高低。

普通钻削和轴向超声振动钻削在一个切屑形成过程的应力如图3所示。由稳定钻削状态的Mises应力图可知，普通钻削时的最大应力为2590MPa，轴向超声振动钻削为1230MPa，Mises应力通过超声振动辅助加工减小了52%。对仿真切屑的长度和厚度进行测量，普通加工时切屑宽度为0.455mm，轴向超声振动钻削时，宽度为0.316mm，宽度减小了30.5%，通过超声振动辅助加工可有效减小切屑尺寸，方便切屑排出，减轻孔壁划痕，提高孔壁加工质量。

4      结论

本文通过建立钻削有限元仿真模型，对轴向超声振动钻削与普通钻削仿真结果进行分析，得到以下结论：

（1）轴向超聲振动钻削改变了钻头在轴向的运动方式，刀具与工件接触为断续接触，Mises应力明显减小，与普通钻削相比减少了52%。

（2）轴向超声振动钻削刀具与工件的间歇加工能够生成较小的切屑，切屑宽度减小了30.5%，有利于断屑散热，减轻刀具磨损及孔壁磨损，提高加工质量。

[参考文献]

[1] 吕道骏. 铝基碳化硅复合材料加工技术发展研究[J]. 电子机械工程， 2011， 27（5）：4.

[2] 马亚健， 聂文忠， 陆建民，等. 纵扭复合超声振动铣削SiCp/Al表面质量研究[J]. 机床与液压， 2020， 48（8）：4.

[3] 王泽亮， 黄树涛， 焦可如，等. 高速正交切削SiCp/Al复合材料切削温度仿真研究[J]. 工具技术， 2014， 48（10）：4.

[4] 王俊磊，袁松梅，李麒麟，等.SiC_p/Al超声椭圆振动车削力热特性仿真研究[J].航空制造技术， 2021（19）：1-11.

[5] DAVIM P A， BAPTISTA M. Relationship between cutting force and PCD cutting tool wear in machining silicon carbide reinforced aluminium[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2000， 103（3）： 417-423.

[6]  Zhou L ， Huang S T ， Wang D ， et al. Finite element and experimental studies of the cutting process of SiCp/Al composites with PCD tools[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2011， 52（5-8）：619-626.

[7] Dou T ， Fu H ， Li Z ， et al. Prediction model， simulation， and experimental validation on thrust force and torque in drilling SiCp/Al6063[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019（3）：53-60.

[8] Doomra V K， Debnath K， Singh I. Drilling of metal matrix composites： Experimental and finite element analysis[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2015， 229（5）： 886-890.5831760F-8CE3-4ADD-9B8A-586364E6592E