SiCp/Al复合材料磨削去除形式及表面损伤研究

目的：展开SiCp/Al复合材料磨削加工中SiC颗粒去除机理以及磨削加工表面完整性的分析。方法：设计了材料数值模型与单因素磨削实验，以J-C本构模型和颗粒断裂准则作为材料损伤依据，对20%vol SiCp/Al进行切削仿真数值模拟，从磨削力、材料内部应力变化及分布等研究SiC颗粒与磨粒相对位置对其去除机理的影响，采用干式逆磨在CarverS600A机床上展开磨削试验，分析不同工艺参数对表面粗糙度的影响，分析典型表面缺陷及成因。结果：磨粒切削SiC颗粒时的磨削力是磨削Al基体的5~7倍，材料内部应力集中现象多发生于SiC颗粒与Al基体界面，SiC颗粒被切削深度增大，小尺寸颗粒易发生脱粘去除，大尺寸颗粒易发生断裂破碎，当砂轮线速度由4.7 m/s增大到9.4 m/s时，沿磨削方向表和垂直磨削方向的粗糙度均呈现下降趋势，当磨削深度由3 μm增大到12 μm或工件速度由50 mm/min增大到200 mm/min，沿磨削方向表和垂直磨削方向的粗糙度均呈现增大趋势。结论：SiC颗粒的去除方式为断裂破碎、脱粘拔出、解离破碎为主，这是造成表面完整性差的主要原因，减小磨削深度增大砂轮线速度可显著减少表面缺陷。

SiCp/Al 复合材料是铝合金为基体、SiC 颗粒构成的颗粒增强形复合材料，同时具备两者优点，如比强度大、耐磨性好、耐高温等优点，被广泛应用于汽车、军事、光学精密仪器等领域[1] [2]。然而，由于Al 基体和SiC 颗粒的物理力学特性相差较大，在机械加工中容易带来切削力不稳定、加工表面完整性差等问题，从而限制该类材料的广泛应用[3] [4]。

为获取高质量的SiCp/Al 复合材料加工表面，大量研究人员通过实验和仿真结合的方式对SiCp/Al复合材料展开研究[5]。

Teng [6]等比较了不同尺寸级别下的SiC 颗粒对材料表面质量的影响， 发现纳米级别的SiC 颗粒可以显著改善表面质量。Gao [7]等研究了高体积分数SiCp/Al 复合材料的变形机制和工艺参数对表面粗糙度的影响。

Zhang [8]等通过ABAQUS 模拟不同颗粒尺寸下的切削行为， 分析切削过程中最大等效应力出现位置和颗粒粒度对切屑形态的影响。

Duan [9]等考虑了基体粘附、二体磨损和三体滚动摩擦等因素，指出SiC 颗粒主要以脱粘、破碎和挤压的方式在剪切区与刀–屑接触部分被去除。Xu [10]等研究发现SiC 颗粒在小于0.01 μm 的划痕深度下以延性方式去除， 随着划痕深度的增加， SiC 颗粒的脆性断裂变的明显。

房玉鑫等[11]研究了高速铣削条件下的成屑机理和表面完整性， 结果表明提高切削速度能够显著提高加工表面质量。在此基础上，对SiCp/Al 复合材料表面和亚表面损伤也有相关研究，Wang [12]等通过仿真和车削实验指出切削深度接近颗粒高度一半时，颗粒完全脱粘， 形成空洞，导致表面质量恶化，减小切削深度可提高表面质量。Wang [13]等仿真分析了表面缺陷的形成机制，发现其与SiC 颗粒几何尺寸有关；而Wu [14]等则通过仿真与实验相结合的方式研究了切削深度对亚表面损伤深度程度的影响。

王俊磊[15]、Xiang [16]和Yan [17]等利用有限元模型探究了超声振动对SiCp/Al 复合材料加工表面形貌以及表面损伤的影响，研究表明，超声振动振幅在一定范围内增大，可有效改善颗粒破碎效果，减少亚表面损伤，抑制表面裂纹扩展等。