摘 要： 基于修正的Johnson-Cook本構(gòu)模型, 在DEFORM中進(jìn)行氧化鋁陶瓷的切削仿真, 分析了切削速度、切削深度及切削路程對(duì)刀具磨損量的影響。研究結(jié)果表明, 刀具的較大磨損深度隨切削速度的增大而減小、隨切削深度的增加而增加。磨損深度隨切削路程變化的仿真結(jié)果表明, 切削過程中的刀具磨損可分為3個(gè)階段, 即初期磨損階段, 正常磨損階段及急劇磨損階段。
0 引言
陶瓷材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高, 耐高溫、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn), 可用于制作切削刀具, 同時(shí)在電子、電力、航天航空方面也得到了廣泛的應(yīng)用。
氧化鋁陶瓷屬于陶瓷材料的一種, 它具有硬脆性、剛性差等特點(diǎn), 相對(duì)于普通的彈塑性材料, 其加工過程不可控制, 加工難度大、精度差, 且在加工時(shí)存在邊緣易崩裂, 刀具易磨損等現(xiàn)象。目前, 制約工程陶瓷廣泛應(yīng)用較重要的因素就是其加工成本高, 加工效率低。據(jù)資料統(tǒng)計(jì), 工程陶瓷的加工成本能占到總成本的50%以上, 甚至高達(dá)90%。探究車削陶瓷的刀具磨損規(guī)律, 并以此為基礎(chǔ)選擇合理的加工參數(shù), 對(duì)提高加工效率、減少加工成本、提高加工質(zhì)量具有重要意義[1-3]。李迎杰等通過金剛石刀具切削加工Si N4基工程陶瓷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)切削速度對(duì)切削力、已加工表面粗糙度、刀具耐用度、切削路程等方面有很大的影響[4];薛建勛采用有限元方法, 對(duì)不同切削條件下的氧化鋯陶瓷切削加工過程進(jìn)行仿真, 分析其切削機(jī)理、優(yōu)化加工工藝參數(shù)、提高加工質(zhì)量[5]?；贒EFORM有限元仿真軟件, 并采用修正的Johnson-Cook本構(gòu)模型, 研究氧化鋁陶瓷車削過程中刀具磨損量與切削速度、切削深度及切削路徑的關(guān)系。
1 有限元仿真模型
1.1 工程陶瓷材料本構(gòu)模型
本構(gòu)模型描述了材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系, 其合理選取對(duì)于仿真結(jié)構(gòu)的正確性具有重要意義[6]。在使用有限元方法研究塑性材料切削過程時(shí), 一般使用Johson-Cook本構(gòu)模型, 如式 (1) 所示。但此模型主要用于模擬高應(yīng)變率下的金屬材料, 由于斷裂機(jī)理的差異, 該模型對(duì)脆性材料并不適用。在陶瓷、混凝土等脆性材料相關(guān)的仿真計(jì)算中, 主要使用JH-Ⅱ本構(gòu)模型。相比于Johson-Cook模型, JH-Ⅱ模型增加了材料損傷累計(jì)功能, 使得材料的強(qiáng)度隨著損傷演化的累積而逐漸降低, 并將強(qiáng)度模型由分段級(jí)形改為連續(xù)形。
其中:A為屈服應(yīng)力強(qiáng)度;B為應(yīng)變強(qiáng)化常數(shù);n為應(yīng)變強(qiáng)化常數(shù);C為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù);m為溫度應(yīng)變率靈敏度;ε為等效塑性應(yīng)變;Tmelt為材料熔點(diǎn)溫度;Troom為室溫;為參考應(yīng)變速率。
在Deform中無(wú)適用于脆性材料的本構(gòu)模型, 但通過改進(jìn)Johson-Cook模型可得到JH-Ⅱ模型, 在JohnsonCook模型基礎(chǔ)上加入強(qiáng)度的連續(xù)性損傷劣化效應(yīng), 得到模型如式 (2) 。
在DEFORM中通過改進(jìn)Johnson-Cook模型得到JH-Ⅱ模型, 并將其作為有限元中陶瓷材料的本構(gòu)模型[7]。
1.2 刀具磨損量模型
在車削氧化鋁陶瓷仿真中, 采用能量法、有限差分法分析刀具磨損量。其數(shù)學(xué)模型如式 (3) 。
其中w為磨損深度;p為接觸壓力;v為滑移速度;T為接觸面溫度;dt為時(shí)間增量;a、b為特征常數(shù)。
2 DEFORM有限元仿真
在Solidworks內(nèi)建立工件、刀具的三維幾何模型, 之后將其導(dǎo)入Deform并裝配, 如圖1所示。為減少無(wú)關(guān)計(jì)算量, 將工件簡(jiǎn)化為內(nèi)徑30 mm、外徑32 mm的圓環(huán);刀具按照實(shí)際形狀特征建模, 并使刀具繞著圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)以切除工件材料。工件材料為氧化鋁陶瓷, 其楊氏模量為400 GPa, 泊松比為0.233, 熱膨脹系數(shù)為7.2×10m/K, 熱導(dǎo)率為35 W (m·K) , 比熱容為0.925 J/ (kg·K) ;刀具材料為金剛石。
圖1 圖形建模
有限元仿真工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 單因素實(shí)驗(yàn)表
3 結(jié)果與討論
3.1 刀具磨損及切削成屑過程
氧化鋁陶瓷車削過程如圖2所示。在車削仿真中, 刀具與工件表層材料相接觸, 材料受到刀具的擠壓作用, 在二者接觸區(qū)域及其附近形成一個(gè)應(yīng)力場(chǎng), 單元節(jié)點(diǎn)受力產(chǎn)生位移, 有限單元產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變變化, 如圖2 (a) 所示。隨著刀具的不斷切入, 材料受到進(jìn)一步擠壓, 網(wǎng)格過度變形發(fā)生失效并飛離工件表面。與塑性材料切削形成連續(xù)切屑不同, 陶瓷材料具有硬脆性, 因此陶瓷材料切削時(shí)形成崩碎狀粉末, 并在已加工表面產(chǎn)生大小不一的破碎切除, 如圖2 (b) 。圖3所示為刀具磨損狀態(tài)有限元仿真結(jié)果, 在開始階段刀尖處磨損分布較為均勻, 由磨損中心逐漸向四周均勻擴(kuò)展延伸, 如圖3 (a) 。隨著切削過程的進(jìn)行, 磨損不斷增加, 磨損中心向切削刃移動(dòng), 磨損分布發(fā)生偏移, 由月牙洼逐漸向切削刃延伸, 且磨損程度不斷加劇, 如圖3 (b) 。
圖2 氧化鋁陶瓷成屑過程
圖3 刀具磨損狀態(tài)
3.2 刀具磨損量與切削速度
較大磨損深度與切削速度的關(guān)系如圖4所示。在切削深度為0.1 mm, 切削路程為100 mm時(shí), 隨著切削速度由150 r/min逐漸增加至500 r/min, 刀具較大磨損深度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì), 由0.059 3 mm減小到0.036 8 mm。但在減小的過程中, 較大磨損深度數(shù)值存在大小不等的波動(dòng), 波動(dòng)的幅度隨著切削速度的增加逐漸減小。當(dāng)切削速度為150 r/min時(shí), 較大磨損深度的數(shù)值較大, 為0.059 3mm, 當(dāng)速度逐漸增加至375 r/min, 較大磨損深度逐漸減小至較小值, 為0.025 1 mm。
圖4 磨損量與切削速度的關(guān)系
3.3 刀具磨損量與切削深度
較大磨損深度與切削深度的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)切削速度為300 r/min, 切削路程為100 mm時(shí), 隨著切削深度由0.05 mm逐漸增加至0.2 mm, 刀具較大磨損深度有逐漸增大的趨勢(shì), 由0.036 9 mm增加到0.052 7 mm。切削深度對(duì)較大磨損深度的影響程度小于切削速度。當(dāng)切削深度在0.1 mm~0.15 mm之間時(shí), 磨損深度變化幅度較大, 先快速上升到0.050 7 mm之后又快速下降到0.035 7 mm。當(dāng)切削深度為0.2 mm時(shí), 較大磨損深度較大, 為0.052 7mm;當(dāng)切削深度為0.08 mm時(shí), 較大磨損深度較小, 為0.032 8 mm。
圖5 磨損量與切削深度的關(guān)系
3.4 刀具磨損量與切削路程
較大磨損深度與切削路程的關(guān)系如圖6所示。在切削速度為300 r/min, 切削深度為0.1 mm的條件下, 當(dāng)切削路徑的長(zhǎng)度由12.5 mm逐漸增加到100 mm的過程中, 刀具的磨損深度隨著切削路程的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。在切削的初始磨損階段, 切削刃鋒利, 刀具與工件接觸面積小使得接觸應(yīng)力大, 較大磨損深度隨切削路程長(zhǎng)度的增加以一定的速度增加, 切削長(zhǎng)度由12.5 mm逐漸增加到37.5 mm時(shí), 磨損深度由0.007 7 mm增加到0.015 6 mm。之后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段, 刀具的初期磨損令兩者接觸面積增加, 較小的接觸應(yīng)力使得此階段內(nèi)的磨損速度小于初始階段, 切削長(zhǎng)度由37.5 mm逐漸增加到75 mm時(shí), 磨損深度由0.015 6 mm增加到0.017 5 mm。較后進(jìn)入急劇磨損階段, 切削過程中的切削力和切削溫度都大幅增加。當(dāng)切削長(zhǎng)度>75 mm時(shí), 磨損速度急劇增加, 甚至大于初期磨損階段。當(dāng)切削長(zhǎng)度為100 mm時(shí), 較大磨損深度增加至0.035 6 mm。
圖6 磨損量與切削路程的關(guān)系
4 結(jié)語(yǔ)
1) 切削初始階段時(shí), 刀具磨損均勻分布, 隨著切削過程進(jìn)行, 刀尖磨損從月牙洼處逐步向切削刃處延伸。
2) 單因素仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 較大磨損深度隨著切削速度的增加有減少的趨勢(shì), 隨著切削深度的增加有增加的趨勢(shì)。
3) 刀具磨損過程可分為3個(gè)階段:開始磨損階段、正常磨損階段、急劇磨損階段。
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