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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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]。基于DEFORM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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程
氧化鋁陶瓷車削過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程可分為3個(gè)階段:開(kāi)始磨損階段、正常磨損階段、急劇磨損階段。
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