阅读说明：本技术 基于铝基碳化硅复合材料微观磨削模拟的磨削控制方法 (Grinding control method based on microscopic grinding simulation of aluminum-based silicon carbide composite material ) 是由 顾鹏 朱传敏 周贤德 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于铝基碳化硅复合材料微观磨削模拟的磨削控制方法,包括以下步骤：1)构建铝基碳化硅复合材料微观模型,用以表征铝基碳化硅复合材料内部微观结构；2)根据铝基碳化硅复合材料微观模型构建单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型,用以模拟单金刚石磨粒铝基碳化硅材料的微观磨削过程中的不同磨削状态,并获取各磨削状态下的单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力；3)根模拟得到不同磨削状态下的单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力数据构建磨削数据库,进而实现对磨削过程中不同状态的识别和控制。与现有技术相比,本发明具有控制预测准确度高、直观性强、符合实际等优点。(The invention relates to a grinding control method based on microscopic grinding simulation of an aluminum-based silicon carbide composite material, which comprises the following steps of: 1) constructing an aluminum-based silicon carbide composite material micro model for representing the internal microstructure of the aluminum-based silicon carbide composite material; 2) constructing a single-diamond abrasive grain aluminum-based silicon carbide microscopic grinding machining model according to the aluminum-based silicon carbide composite microscopic model, so as to simulate different grinding states in the microscopic grinding process of the single-diamond abrasive grain aluminum-based silicon carbide material and obtain the grinding force of the single-diamond abrasive grain aluminum-based silicon carbide composite in each grinding state; 3) and (3) obtaining the grinding force data of the single-diamond abrasive grain aluminum-based silicon carbide composite material under different grinding states through simulation to construct a grinding database, and further realizing the identification and control of different states in the grinding process. Compared with the prior art, the method has the advantages of high control and prediction accuracy, strong intuition, accordance with reality and the like.)

基于铝基碳化硅复合材料微观磨削模拟的磨削控制方法

技术领域

本发明涉及机械加工工艺领域，尤其是涉及一种基于铝基碳化硅复合材料微观磨削模拟的磨削控制方法。

背景技术

铝基复合材料主要为纤维增强铝基复合材料与颗粒增强铝基复合材料两大类，目前金属基复合材料(MMCs)的基体主要发展了有铝基、镁基、钛基、高温合金基等类型，由于铝合金具有断裂韧性高、高强度、优良的抗腐蚀性、低密度等良好的综合性能，使得铝合金在复合材料的发展中倍受青睐，应用潜力巨大。铝基复合材料增强用的纤维有硼纤维、碳化硅纤维、碳纤维及金属丝纤维等，增强用颗粒主要用SiC、Al₂O₃陶瓷等。

铝基碳化硅是一种颗粒增强型金属基复合材料，采用压力铸造制备工艺，采用铝合金356.2作为基体，按照设计要求，以一定形式、比例和分布状态，以碳化硅颗粒作为增强体，碳化硅颗粒含量为65％左右，碳化硅的颗粒直径约60μm，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能。

铝基碳化硅表面磨削工艺对于零部件的使用性能具有重要的意义，由于铝基碳化硅内部存在铝合金基体与碳化硅颗粒微观结构，实际磨削过程中，无法直观了解铝基碳化硅磨削过程中内部微观结构的变化过程，也无法了解当前磨削力对应何种磨削状态，进而无法准确地进行实际磨削过程中的控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于铝基碳化硅复合材料微观磨削模拟的磨削控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于铝基碳化硅复合材料微观磨削模拟的磨削控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建铝基碳化硅复合材料微观模型，用以表征铝基碳化硅复合材料内部微观结构；

2)根据铝基碳化硅复合材料微观模型构建单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型，用以模拟单金刚石磨粒铝基碳化硅材料的微观磨削过程中的不同磨削状态，并获取各磨削状态下的单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力；

3)根模拟得到不同磨削状态下的单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力数据构建磨削数据库，进而实现对磨削过程中不同状态的识别和控制。

所述的步骤1)中，铝基碳化硅复合材料微观模型由多个高体积分数的铝基碳化硅单胞微观模型通过在上下左右前后六个方向空间组合构成。

所述的铝基碳化硅单胞微观模型为软基体-弱界面-硬颗粒铝基碳化硅单胞微观模型。

每个铝基碳化硅单胞微观模型的结构呈正方体型，正方体中心处设有一个碳化硅球体，并且在正方体的八个顶点处分别设置一八分之一碳化硅球体，该正方体除碳化硅球体外的空间内填充铝合金，并且在碳化硅球体与铝合金的接触面上设置弱界面层，在完成空间组合后，八个顶点处的八分之一碳化硅球体组合为一个完整的碳化硅球体。

通过调节中心处和八个顶点处的碳化硅球体的半径大小从而提高体积分数。

铝基碳化硅单胞微观模型的模型参数确定方法具体为：

先根据分子模型理论以及体积分数大小确定碳化硅颗粒的尺寸，进而确定铝基碳化硅单胞微观模型的尺寸大小，并通过铝基碳化硅动态霍普金斯压杆试验的应力应变曲线确定弱界面层的本构模型参数。

所述的步骤2)中，单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型由铝基碳化硅复合材料微观模型以及金刚石磨粒构成。

对铝基碳化硅磨削微观模型上铝合金为主、碳化硅与铝合金均匀混合和碳化硅颗粒为主的典型磨削位置进行磨削模拟，在获取各典型位置的磨削力后进行平均计算，最终得到单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料的磨削力作为表征各磨削状态的特征磨削力。

所述的磨削状态包括表面耕犁、表面划擦和表面凹坑。

所述的步骤3)中，将各磨削状态对应的特征磨削力保存到数据库中，在实际的切削过程中通过检测实际磨削力并与特征磨削力做对比，若数据吻合则表明实际切削过程的磨削状态，并据此调节磨削参数，实现铝基碳化硅复合材料的磨削控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明基于分子理论模型建立了“软基体-弱界面-硬颗粒”的铝基碳化硅单胞微观模型，采用中心-顶点式的模型结构，突破现有的中心式模型中由于受到半径限制无法突破更大的体积分数的限制，能够实现更高的体积分数的模拟。

2、本发明根据铝基碳化硅动态霍普金斯应力应变曲线确定弱界面层本构模型参数，进而确定符合实际的铝基碳化硅复合材料微观模型，进而指导铝基碳化硅磨削制作工艺。

3、本发明建立单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型，根据磨粒切除位置获取磨削力信号与磨削表面形貌，揭示铝基碳化硅微观磨削机理和状态，根据磨削表面质量，结合微观磨削机理指导实际磨削加工工艺。

4、本发明建立“软基体-弱界面-硬颗粒”的铝基碳化硅单胞微观模型与单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型具有重要的意义，能够直观获得磨削过程中铝合金基体与碳化硅颗粒的磨削变形情况，进而获取各磨削状态下的单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力，根模拟得到不同磨削状态下的单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力数据构建磨削数据库，实现对磨削过程中不同状态的识别和控制，有利于提高铝基碳化硅磨削表面质量。

附图说明

图1为高体积分数铝基碳化硅的微观形貌图。

图2为铝基碳化硅霍普金斯压杆试验示意图

图3为现有中心式的中低体积分数铝基碳化硅单胞微观模型示意图。

图4为本发明中高体积分数铝基碳化硅单胞微观模型示意图。

图5为本发明中单金刚石高体积分数铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”单胞微观磨削模型结构示意图。

图6为高体积分数铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”单胞微观模型示意图。

图7为单金刚石磨粒高体积分数铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”微观磨削加工模型示意图。

图8为三种磨削状态的磨削示意图，其中，图(8a)为表面耕犁状态，图(8b)为表面划擦状态，图(8c)为表面凹坑状态。

图9为单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型的模拟磨削力与试验力的对比图，其中，图(9a)为切向对比图，图(9b)为法向对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种基于铝基碳化硅复合材料微观磨削模拟的磨削控制方法，包括以下步骤：

1)构建铝基碳化硅复合材料微观模型，用以表征铝基碳化硅复合材料内部微观结构；

2)根据铝基碳化硅复合材料微观模型构建单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型，用以模拟单金刚石磨粒铝基碳化硅材料的微观磨削过程中的不同磨削状态，并获取各磨削状态下的单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力；

3)根模拟得到不同磨削状态下的单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力数据构建磨削数据库，进而实现对磨削过程中不同状态的识别和控制。

高体积分数的铝基碳化硅表面微观形貌图及样件如图1所示，铝基碳化硅主要由铝合金基体、碳化硅颗粒及弱界面组成，碳化硅颗粒较为均匀分布在铝合金基体里面，随着体积分数的增加，碳化硅颗粒增多，因而铝基碳化硅塑性降低，脆性增加。

图3为现有的中低体积分数铝基碳化硅单胞微观模型示意图，主要表现为小球嵌在立方体中心位置处，根据体积分数的不同，进行小球尺寸的调整，进而可以获得不同中低体积分数铝基碳化硅单胞微观模型。图3中，R表示碳化硅颗粒球体的半径，L代表立方体的边长，体积分数比δ可以计算为：

当R＝L/2时，此“软基体-弱界面-硬颗粒”微观磨削加工模型能表征的碳化硅颗粒最大体积分数为52.36％；当碳化硅颗粒体积分数大于52.36％时，现有的微观模型无法合理地表征铝基碳化硅单胞微观模型。

图4为本发明中基于分子模型理论的高体积分数铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”单胞微观模型示意图，根据分子模型理论以及体积分数大小，可以确定胞体里碳化硅颗粒尺寸，进而确定高体积分数铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”单胞微观磨削模型的尺寸大小。图4中，碳化硅球体除了占据中心位置外，还均匀分布在立方体的八个顶角处，该铝基碳化硅的“软基体-弱界面-硬颗粒”微观磨削加工模型中体积分数比δ可以计算为：

当铝基碳化硅体积分数比δ大于65％时，碳化硅颗粒的半径均可根据以上公式计算获得，进而能够实现高体积分数铝基碳化硅微观磨削模型的表征，从而突破现有体积分数最大只有52.36％的限制，能够更好的模拟更大体积分数的情况。

图5为单金刚石高体积分数铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”单胞微观磨削示意图，主要由金刚石磨粒、铝合金基体、碳化硅颗粒以及弱界面组成，根据分子组合模型，将铝基碳化硅单胞微观模型进行上下左右前后六个方向空间组合，进而形成单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型。

图6为本发明空间组合后得到的高体积分数铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”多胞微观模型示意图，本发明根据铝基碳化硅动态霍普金斯压杆试验的应力应变曲线确定弱界面层本构模型参数，进而确定高体积分数铝基碳化硅多胞微观模型结构参数，对于微观磨削过程中的不同磨削状态，如图8所示，包括表面耕犁、表面划擦和表面凹坑，分别进行磨削过程模拟。

单金刚石磨粒磨削位置包括铝合金为主、碳化硅与铝合金均匀混合、碳化硅颗粒为主的几种典型磨削位置，按照磨削工艺参数磨削这些典型位置并获取模拟的磨削力，取平均值作为单金刚石磨粒铝基碳化硅复合材料磨削力，并且与单金刚石磨粒铝基碳化硅磨削试验力进行比较，结果如图9所示，可以发现，单金刚石磨粒铝基碳化硅磨削试验力与仿真力基本一致，验证了建立的铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”多胞微观磨削加工模型的正确性。

综上，本发明基于建立的单金刚石磨粒铝基碳化硅微观磨削加工模型，准确模拟铝基碳化硅的微观磨削过程，在单金刚石高体积分数铝基碳化硅“软基体-弱界面-硬颗粒”微观磨削过程中，获得了表面耕犁、表面划擦以及表面凹坑的铝基碳化硅不同磨削状态下的磨削力数据，进而在实际的磨削过程中可以根据不同的磨削状态对应的磨削力数据，确定铝基碳化硅的磨削阶段，同时根据磨削状态对磨削过程进行控制。