SiCp_Al复合材料超声振动切削多尺度数值模拟研究.pdf

SiCp/Al复合材料超声振动切削多尺度数值模拟研究

摘要

SiCp/Al复合材料是由金属基体和碳化硅颗粒构成，这种组合使其具有优

良的比强度、耐高温、尺寸稳定性等性能，在航空航天、电子器件等领域被广

泛应用。但硬脆颗粒的存在使其成为难加工材料之一，刀具磨损严重、加工表

面质量差等问题必须得到解决。引入超声振动辅助切削是提高加工性能的重要

研究方向。但是，目前的振动切削复合材料数值模拟研究大多转化为正交切

削，难以在宏观尺度上精细建模，且很少考虑超声振动声学软化效应对振动切

削的影响。因此，需要更加合理的建模方法和数值模拟流程，增加超声振动辅

助切削仿真研究的可靠性，促进SiCp/Al复合材料在工程上的应用。

本文采用顺序多尺度数值仿真对三维超声振动辅助车削SiCp/Al复合材料

进行模拟。并考虑声学软化对材料流动应力的影响，进行超声振动辅助压缩和

切削仿真，主要研究内容如下：

（1）利用python语言和ABAQUS软件，建立了颗粒随机分布的复合材料

微观RVE模型；并建立了基于RVE模型的顺序多尺度仿真流程。通过动态压

缩仿真分析了颗粒和基体的损伤过程，结果表明，复合材料在塑性阶段的应力

应变关系主要受颗粒破碎、颗粒-基体相互挤压的影响。随着颗粒体积分数的

减小，材料塑性应力有所降低；但达到大应变时，材料应力又接近相同。

（2）在宏观尺度上，根据实验建立了三维超声振动车削仿真模型，并分

析颗粒体积分数和超声振动相位差对切削性能的影响。结果表明，超声振动可

有效降低不同SiC颗粒体积分数下的切削力和刀具平均温度；且切削力和刀具

温度随着相位差的增大而降低，结合切削表面形貌，认为相位差60°时切削效

果最好。

（3）根据声学软化相关理论，改进了Johnson-Cook本构模型，编写

VUMAT子程序用于超声振动单轴压缩仿真和超声振动切削仿真。仿真结果表

明，在压缩过程中声学软化效应随着振幅的增大而增大，在切削过程中声学软

化效应会降低剪切带区域的应力，从而降低切削力。

（4）进行了超声振动铣削和普通铣削SiCp/Al复合材料试验，计算不同进

给量、主轴转速、铣削深度下的平均切削力，并分析这三个变量对切削力的影

-I-

响，得出加工该材料时建议工况；根据试验条件建立了多尺度三维铣削模型，

通过对比仿真结果和试验结果，说明了仿真模型具有很高的准确性和参考价

值。

关键词超声振动切削；颗粒增强铝基复合材料；多尺度仿真；声学软化；超声

振动压缩

-II-

Multi-scalenumericalsimulationofultrasonic

vibrationcuttingSiCp/Alcomposites

Abstract

SiCp/AlcompositesarecomposedofametalmatrixandSiCparticles,andthis

combinationgivesitexcellentspecificstrength,hightemperatureresistance,

dimensionalstability,andotherproperties,whicharewidelyusedinaerospace,

electronics,andotherfields.However,thepresenceofhardandbrittleparticlesmakes

itoneofthehard-to-machinematerials,andproblemssuchasseveretoolwearand

poormachinedsurfacequalitymustbesolved.Theintroductionofultrasonic

vibration-assistedcuttingis