基于有限元仿真铝基碳化硅磨削参数研究

为获得低磨削比能下磨削加工铝基碳化硅(SiCp/Al)的磨削参数，通过有限元仿真研究不同磨削深度、进给速度以及主轴转速对磨削力的影响规律，揭示磨削参数对磨削力大小以及SiC颗粒失效形式的影响，结合实际磨削加工，验证仿真模型的准确性并对材料表面粗糙度进行测量。结果表明：磨削深度对材料的表面粗糙度和磨削力的影响权重最大，降低磨削深度可以显著减小磨削力并降低表面粗糙度。同时，提高主轴转速或降低进给速度，能够在减小磨削力的同时降低表面粗糙度。本文考虑到磨削比能的因素，选用20 μm的磨削深度、70 mm/min的进给速度和3000 r/min的主轴转速(即磨削线速度1.57 m/s)时，磨削比能仅为2721.70 J/mm3，有效降低了磨削比能。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料SiCp/Al 融合了金属和陶瓷的材料特性，具有高比强度、高比刚度、高耐磨性、高耐腐蚀性、良好的导热导电性能及高抗疲劳性能等特点，在各种领域中被广泛应用，并在航空航天、国防军事以及半导体等行业中具有巨大的应用前景[1] [2]。

当涉及到SiCp/Al 复合材料的加工， 由于基体中存在大量的SiC 增强颗粒，材料的各向异性和非均质性导致其加工性能较差，加工成本高、精度低和表面粗糙度值大等问题，使得材料加工面临着诸多挑战[3] [4] [5]。目前常用的碳化硅铝基复合材料加工方法包括磨削、切削和铣削加工等，其中，磨削是实现材料高效、优质的主流加工方法之一， 国内外学者对SiCp/Al 复合材料的加工性能进行了丰富的研究。Tao Wang 建立了二维微观有限元模型， 研究了SiCp/Al 复合材料微观的铣削过程中SiC 的破碎、脱落、微裂纹是缺陷形成的主要机制[6]。

Jie Zhang采用Camisizer XT 粒度分析装置和随机顺序吸附算法进行了材料的三维微观结构重构，探究了金属基体弹塑性损伤、增强颗粒的脆性破坏和界面的牵引分离的本构行为[7]。Junwei Liu 建立有限元模型研究了在加工过程中，切削速度和刀具与颗粒的相互作用位置对表面形成的影响。目前大部分研究工作集中在低体积分数铝基复合材料的切削加工中，对于高体积分数铝基复合材料磨削方法的加工研究较少[8]。

本文对高体积分数(55%) SiCp/Al 复合材料进行仿真模拟以及实验对比，对加工过程中的磨削力、能耗进行评价， 讨论了磨削参数对材料失效形式、磨削力的影响。

这些研究结果为利用磨削技术实现SiCp/Al复合材料的精密加工、绿色制造提供重要指导。

2. 仿真实验过程 2.1. 有限元仿真模型的建立 本研究使用ABAQUS 软件，建立如图1 所示的SiCp/Al 复合材料以及刀具二维微观有限元模型，对材料进行有限元分析并提取不同加工参数下的磨削力。模型基体材料为Al，尺寸为1 mm × 0.5 mm，基体内离散地分布着SiC 增强颗粒， 颗粒粒径为40~60 μm 四至六边形。

磨削过程所用磨粒为三棱锥形金刚石磨粒，研究中忽略磨粒磨损，故在二维模型中将磨粒简化为顶角为50˚的三角形，且定义为解析刚性。

仿真过程中，工件X、Y 方向的位移被限制，金刚石磨粒以10~100 mm/min 的恒定速度沿X 方向划擦移