摘要
为了揭示2.5D C/SiC陶瓷基复合材料在铣削加工过程中的去除机理及表面损伤特性，开展了其传统铣削和超声振动辅助铣削实验，建立了两类铣削工况下的三维数值模型。结果表明，相对于传统铣削，超声振动辅助铣削在其高频的交变载荷下，降低材料的微切削厚度，减小材料的变形挠度从而使径向和切向的切削力分别都降低了68％、72％；可有效改善2.5D C/SiC复合材料加工表面损伤，如倾斜断裂面、粗糙断裂面；其加工表面残余压应力明显大于传统铣削；经过实验验证，所建立的数值模型可以有效地模拟材料去除过程和0°、90°纤维的断裂形貌；为2.5D C/SiC复合材料的高效低损伤加工提供了理论依据和指导。
碳纤维增强陶瓷基复合材料（C/SiC）具有高比强度、高硬度、良好的耐腐蚀性及耐高温性
与传统铣削相比，超声振动辅助铣削在处理典型的硬脆材料方面具有明显的优势。目前，超声振动辅助铣削已应用于C/SiC复合材料的加工，并取得了许多相关成果。复合材料的材料去除机理与传统均质材料有很大不同，当应用超声波振动时，材料切削机制也发生了变化。超声振动辅助铣削主要是使刀具在进给过程中做高频振动切削，减小刀具和材料的接触时间，刀尖不断的冲击材料，造成材料的微脆性裂纹扩展去除，更易于在硬度高的材料上实现，也就是硬脆材料所具有的特点。
国内外学者对超声振动辅助铣削的基本加工指标切削力、复合材料的去除机制以及纤维相对于刀具进给方向的角度进行研究。钟祥
本文使用传统端铣刀对2.5D C/SiC复合材料进行了传统及超声振动铣削实验，建立了该材料的三维有限元切削模型，对比了传统铣削及超声振动辅助铣削下的切削力、表面微观形貌及表面残余应力。
超声振动辅助铣削是一种新型复合切削工艺，被广泛地应用于硬脆材料的加工。由于引入了高频超声振动，刀具运动结合了旋转运动、进给运动以及纵向的高频超声运动。这就意味刀具与工件在x-z平面上周期性地接触、分离，铣刀与主轴旋转同时在x方向上移动，简化刀具在材料中具体运动轨迹见
图1 超声振动辅助铣削示意图
Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic vibration assisted milling
在笛卡尔坐标系中，刀具侧铣的空间运动轨迹可以描述为：
| （1） |
式中，R是刀具半径；n是主轴转速；t是切削时间；vf是进给速率；A是纵向超声振幅；f是超声频率。根据
由于单纯的宏观有限元模型无法预测基体、纤维和界面的损伤行为，因此建立包含纤维、基体和界面的三维切削微观有限元模型。这里需要注意，不同于其他纤维增强复合材料，2.5D C/SiC复合材料的短小纤维层分布杂乱无章，目前的三维数值建模很难对其进行准确模拟。本文重点对0°纤维与90°纤维进行模拟分析。
建立C/SiC复合材料正交切削仿真模型如
图2 有限元模型示意图
Fig.2 Schematic diagram of finite element model
| （2） |
式中，A是纵向超声振幅；f是超声频率。
采用微观三维模型分析了复合材料在正交切削中的损伤机理。T300碳纤维材料具有整体各向异性及横向各向同性的特点，通过编写最大应力准则VUMAT定义纤维的损伤破坏。当纤维的各方向强度达到相应的极限强度时，纤维断裂。
SiC基体被定义成各向同性的脆性材料，直接产生脆性破坏而不是塑性变形。使用专门解决大变形问题的JH2本构描述基体的破坏行为。JH2本构模型公式如下：
| （3） |
式中，A、B、C、M、N为SiC材料的JH2模型待定参数；D是材料的损伤因子；p为真实静水压力（N）；是静水压力；为Hugoniot等效应力；为标准化应变率；T为材料所能承受的最大拉（压）静水压力。
本文以2.5D C/SiC复合材料为实验材料，其由0°和90°纤维层、SiC基体、热解碳（PyC）层和短小纤维层组成，2.5D C/SiC复合材料的单元微观结构见
图3 2.5D C/SiC复合材料工件示意图
Fig.3 2.5D C/SiC composite workpiece schematic diagram
2 5D C/SiC材料的纤维直径为6.8 µm，密度为1.7 g/c
实验使用直径4 mm的传统端铣刀，结构如
图4 传统端铣刀结构示意图
Fig.4 Structural diagram of traditional end milling cutter
2.5D C/SiC复合材料超声振动辅助加工是在三轴数控加工中心上进行的，实验参数如表3所示。超声振动辅助加工系统由运动控制单元、振动单元以及振幅测定单元组成，如
图5 超声振动辅助铣削2.5D C/SiC复合材料的实验装置
Fig.5 Experimental device for ultrasonic vibration assisted milling 2.5D C/SiC composites
如
超声波振动系统由超声波发生器、超声波刀柄组成。铣刀固定到刀柄的端部。振动系统由超声波刀架、无线能量传输装置和超声波发生器组成。铣刀通过夹头和夹头螺母固定在刀架的端部。在超声波发生器的激励下，电信号通过固定在主轴外环上的无线装置传输到刀架内的压电换能器。压电换能器将电能转换为机械能，并驱动工具产生纵向高频运动。超声振动参数的选取标准是在实验中所用频率下，超声波振动与固定夹紧后的刀具调至共振，尽可能地减少超声波能量损耗，在一定范围内调整振幅，使加工过程中的超声振幅较大，从而保证加工效果最佳。
| 组次 | 方法 | 刀具 | 切削参数 |
|---|---|---|---|
| 1 | 传统铣削 | 传统端铣刀 |
切削速度：0.5 m/min 进给速度：0.01 mm/r 径向切深：0.4 mm 振幅：0.3 µm 超声波频率：30 kHz |
| 2 | 超声振动辅助铣削 | 传统端铣刀 |
传统端铣刀传统铣削及超声振动辅助铣削工况下切削力信号如
（a） 传统铣削
（b） 超声振动辅助铣削
图6
Fig.6 Cutting force signal curve under normal milling and ultrasonic vibration assisted milling conditions
传统铣削与超声振动辅助铣削工况下切削力信号曲线
实验中，由于铣削过程中径向力Fx及切向力Fy是对铣削加工影响最大的因素，因此本文只讨论其数值大小。对于切削力信号的数值大小比较，可以明显看出来超声辅助铣削下的切削力低于传统铣削下的切削力。其中传统铣削工况下Fx为17.2 N，Fy为4.9 N，超声振动辅助铣削工况下Fx为6.9 N，Fy为1.9 N。相比来说，超声振动辅助铣削工况下的径向力与切向力分别减小68％、72％。这是因为刀具在纤维上引起交变冲击载荷的高频纵向振动。材料被更有效的去除，切削与刀具之间的摩擦因数降低，从而降低了切削力，另一方面由于超声振动辅助铣削过程中的纵向超声波振动，刀具周期性从工件表面分离，从而降低了切削力。
根据超声振动周期中刀具位移的分布，提取了超声振动辅助铣削C/SiC复合材料的微切削仿真结果，如
图7 一个完整振动周期内有限元模型的输出状态示意图
Fig.7 Schematic diagram of output state of finite element model in a complete vibration period
2.5D C/SiC复合材料的SiC基体是硬脆性材料，虽然在材料中加入了纤维进行增韧，但是并不改变SiC基体的硬脆性。刀具切入SiC基体时，SiC基体是典型的脆性去除，在应力较大的地方，产生裂纹，裂纹扩散，形成切屑。
由于短小纤维内嵌在2.5D C/SiC复合材料内部，在切削过程中，纤维的两端会产生极高的应力集中，在刀具的作用下会产生微观裂纹，随着载荷增加裂纹沿着短纤维界面开裂，直至断裂。同时，2.5D C/SiC复合材料由于在制备过程中吸收一定的水分和空气而产生孔隙，根据Griffith提出的材料微裂纹断裂理论，实际材料内部总是存在微小缺陷或裂纹，在刀具作用下这些缺陷和裂纹将失稳扩展，导致加工表面产生一定的损伤。
图8 传统铣削工况下0°纤维去除机理分析
Fig.8 Analysis of 0° fiber removal mechanism under normal milling conditions
图9 超声振动辅助铣削工况下0°纤维去除机理分析
Fig.9 Analysis of 0 ° fiber removal mechanism under ultrasonic vibration assisted milling condition
图10 传统铣削工况下90°纤维去除机理分析
Fig.10 Analysis of 90 ° fiber removal mechanism under normal milling conditions
图11 超声振动辅助铣削工况下90°纤维去除机理分析
Fig.11 Analysis of 90 ° fiber removal mechanism under ultrasonic vibration assisted milling condition
残余应力是影响加工表面质量的重要因素，其中残余压应力更是可以提高加工表面的硬化作用，从而提高表面质量。
在数值模拟中提取各个工况的残余应力曲线，如
图12 不同工况的残余应力曲线
Fig.12 Residual stress curves under diffrent working conditions
（a） 90°纤维工况 （b） 0°纤维工况
对于2.5D C/SiC复合材料来说，加工表面的残余应力非常复杂，在数值模拟中主要由材料断裂机理以及超声振动辅助加工引起的冲击作用引起。2.5D C/SiC复合材料在铣削过程中发生脆断，当裂纹扩展到材料去除时，在残余材料中形成残余拉应力。
当进行超声振动辅助铣削时，刀具对材料进行锤击作用，切削刀具在铣削过程中的高频的锤击作用造成了材料加工表面的残余压应力，因此超声振动铣削更加有助于提高加工表面质量。
（1）与传统铣削相比，超声振动辅助铣削具有交变的轴向冲击载荷，更易去除材料。超声振动辅助铣削工况下的径向、法向切削力比传统切削工况下的径向、法向切削力分别减小68％、72％，证明超声振动辅助铣削对2.5D C/SiC复合材料作用效果明显。
（2）以30 kHz频率、200个等间隔、4个阶段为模拟过程，振动辅助铣削0°纤维和90°纤维的2.5D C/SiC复合材料进行数值模拟：0°纤维以宏观弯曲、脱粘断裂，碳纤维内部在刀具挤压下产生微裂纹，发生了多个此类微脆性断裂，随刀具移动被去除，断裂面光滑、平整；90°纤维以剪切、压缩模式断裂，而由于超声振动辅助铣削中的振幅改变了刀具轨迹及加工中的摩擦力，因此降低了纤维挠度变形，提高了表面质量。经过实验验证，所建立的数值模型可以有效地模拟0°纤维和90°纤维的去除过程。
（3）从加工表面残余应力分析，当进行超声振动辅助铣削时，刀具对材料进行锤击作用，切削刀具在铣削过程中的高频的锤击作用造成了材料加工表面的残余压应力，因此超声振动铣削更加有助于提高加工表面质量。
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