（材料加工工程专业论文）基于ti（cn）基金属陶瓷刀具的金属切削过程的有限元分析.pdf

基于 r i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具的金属切削过程的有限元分析 摘要 金属切削加工是机械制造中最常用也是最重要的加工工艺。随着电子、光学、 生物医学等精密设备的需求不断增加，产品的体积越来越小，对切削加工的质 量就提出了更高的要求。因此，研究切削过程、掌握切削规律、实现优化切削，不 论对传统切削还是对新型切削技术均有非常重要的意义。 本文首先基于液相烧结法制备出了t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具，并通过试验和 计算的方法获得了材料性能；其次，采用刚粘塑性有限元法。以新型t i ( c 基 金属陶瓷刀具为研究对象，建立了不同前角的切削有限元模型，实现了金属切削 过程的模拟，从主切削力、刀具的温度分布和应力状态等方面分析了刀具磨损 的原因，得到了刀具的磨损曲线；最后，对试验制备出的新型t i ( c ，n ) 基金属陶 瓷刀片进行了切削物理试验，并得出不同前角刀具的磨损量曲线。 通过分析得到以下结论：增大刀具前角，主切削力减小，切削温度降低， 刀具上的等效应力减小；切削初期，刀具上的磨损区面积迅速增加，然后缓慢 增长，且y = 1 0 0 刀具的磨损性能最好；综合上述因素得出t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀 具切削4 5 钢的最优前角；另外，切屑的卷曲半径与材料有关：工件材料中含碳 量越低，塑性越好，切屑的卷曲半径越大，切屑越不容易断裂；模拟结果与试 验结果一致，验证了数值模拟的正确性。 论文的研究结果表明，金属切削有限元模拟能够对切削过程的各主要物理要素进 行理论预报，可以为研究金属切削理论以及研发新型刀具材料提供可行的方法，对 高效、低耗地进行金属切削研究具有重要意义。 关键词：t i ( c ，n ) 基金属陶瓷切削性能有限元模拟刀具前角刀具磨损 f e ao fm e t a lc u t t i n gp r o c e s sb a s e do nt i ( c ，n ) 一b a s e dc e r m e t s c u t t e r a b s t r a c t m a c h i n i n go f m e t a l si sam a j o rp r o c e s s i n gt e c h n i q u e a st h ei n c r e a s i n gd e m a n d so f p r e c i s i o ne q u i p m e n t si ne l e c t r o n i c ，o p t i c a la n db i o l o g i c a lf i e l d ，t h ed i m e n s i o no f t h ep r o d u c tb e c o m e ss m a l l e r ；a sar e s u l t ，t h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so fc u t t i n g p r o d u c tb e c o m e sh i g h e r c o n s e q u e n t l y , i ti ss i g n i f i c a n tf o re i t h e rt r a d i t i o n a lo r a d v a n c e dm a c h i n i n gt e c h n i q u et os t u d yc u t t i n gp r o c e s s ，m a s t e rt h el a wo f m a c h i n i n ga n dt oo p t i m i z et h ec u t t i n gp r o c e s s ， f i r s t l y , t h et i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e tc u t t e r sw e r ep r e p a r e dt h r o u g hl i q u i d p h a s e s i n t e r i n gm e t h o d ；t h em a t e r i a lp e r f o r m a n c ew e r em e a s u r e da n dc a l c u l a t e d s e c o n d l y , b a s e do nr i g i d - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，m a c h i n i n gf i n i t ee l e m e n t m o d e l so fd i f f e r e n tr a k ea n g l e sw e r eb u i l t ，a n dt h ec u t t i n gp r o c e s so ft i ( c ，n ) - b a s e d c e r m e tc u t t e r sw e r es i m u l a t e d ；t h er e a s o n so ft o o lw e a rw e r ea n a l y z e dt h r o u g hm a i n c u t t i n gf o r o e ，d i s t r i b u t i o no fc u t t i n gt e m p e r a t u r ea sw e l la ss t r e s sc o n d i t i o n l a s t l y , m a c h i n i n gt e s t so ft i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e tc u t t e r sw e r ei m p l e m e n t e d ；t h et o o lw e a r c u r v e so fd i f f e r e n tr a k ea n g l e sw e r eo b t a i n e d s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sf r o mt h es t u d ya r ed r a w na sf o l l o w s ：f i r s t l y ，w i t ht h e i n c r e a s i n g o fr a k e a n g l e ，m a i nc u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n da l s o e q u i v a l e n ts t r e s so nt o o l sa r ef a l l i n gd o w n s e c o n d l y , a tt h ee a r l ys t a g eo fm e t a l c u t t i n g ，t h ew e a ra r e ao nt o o li si n c r e a s i n gr a p i d l y ，t h e ns l o w i n gd o w n ；a n dt h e w e a rp e r f o r m a n c eo fv = 10 。c u t t e ri st h eb e s to fa 1 1 g e n e r a l i z e df r o ma l lt h e f a c t o r sa b o v e ，t h eo p t i m u mr a k ea n g l eo ft i ( c ，n ) b a s e dc e r m e tc u t t e r sc a nb e i n f e r r e dw h e nm a c h i n i n ga i s l l 0 4 5s t e e l t h i r d l y , t h ec h i pc u r l i n gr a d i u si sr e l a t e d w i t ht h ew o r k p i e c em a t e r i a l ：w o r k p i e c eo fb e t t e rp l a s t i c i t yw i l lt u r nu pb i g g e r c u r l i n gr a d i u so fc h i p ，s ot h ec h i pw i l lb r e a km o r ee a s i l y t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n a n dm a c h i n i n gt e s ta r co fw e l lc o i n c i d e n t ，w h i c hp r o v e st h ev a l i d i t yo ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ec o n s e q u e n c eo ft h ei s s u ei n d i c a t e st h a tt h ef e mo fm e t a lc u t t i n gc o u l dn o to n l y p r e d i c tt h em a i np h y s i c a le l e m e n t si nc u t t i n gp r o c e s s ，b u ta l s op r o v i d eaf e a s i b l e m e t h o df o rb o t ht h es t u d yo fm e t a lc u t t i n gt h e o r ya n dt h ed e v e l o p m e n t - r e s e a r c ho f n e ws t y l ec u t t e r ；f u r t h e r m o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt os t u d ym e t a lc u t t i n gm o r e e f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：t i ( c ，n ) b a s e dc e r m e tc u t t e r , c u t t i n gp e r f o r m a n c e ，f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ；r a k ea n g l e ，t o o lw e a r 插图清单 图2 1切削变形区示意图4 图2 2 剪切角示意图4 图2 3切削变形系数的计算参数5 圈2 4x i ( c ，n ) 基金属陶瓷典型显微结构示意图7 图5 1二维切削简化模型1 8 图5 2 三维切削简化模型1 8 图5 34 5 钢流动应力曲线1 9 图5 - 4刀屑接触表面的摩擦模型1 9 图5 5二维切削几何模型”2 0 图5 - 6二维切削有限元网格模型2 0 图5 7二维切削模型接触体设置2 l 图5 8网格重划窗设置一2 2 图6 1主切削力随时间变化曲线2 3 图6 2 二维切削刀具表面热交换2 4 图6 3 切削过程热源云图2 5 图6 4二维切削温度分布云图2 6 图6 5不同前角切削时切削温度分布2 7 图6 6刀具最高温度随前角变化曲线2 7 图6 7刀具节点温度变化曲线2 8 图6 8刀具正应力云图2 9 图6 9刀具正应力最大值曲线”2 9 图6 1 0 刀具等效应力云图3 0 图6 1 1刀具等效应力最大值曲线3 0 图6 1 2 切屑等效应力云图“3 l 图6 1 3工件剪应力云图3 l 图6 1 4 锯齿屑的外形3 1 图6 1 5切削过程中的塑性应变云图一3 2 图6 1 6 切削过程中的弹性应变云图3 3 图6 1 7切削过程中塑性应变速率云图3 3 图6 1 8刀具的磨损过程3 4 图6 1 9不同前角刀具磨损总量曲线”3 4 图6 2 0不同前角刀具当前磨损值曲线3 5 图6 2 lt i ( c ，n ) 刀具与y t l 5 刀具磨损总量曲线3 6 图6 2 2t i ( c ，n ) 刀具与y t l 5 刀具当前磨损量曲线3 6 图6 2 3 图6 2 4 图6 2 5 图6 2 6 图6 2 7 图6 2 8 图6 2 9 图6 3 0 冒7 i 图7 2 图7 3 图7 - 4 图7 5 不同材料切屑形态与等效应变云图一3 7 不同材料切屑等效应力云图3 8 不同材料切屑剪应力云图3 8 刀一屑接触表面取样点示意图”3 9 刀一屑接触表面节点速度曲线3 9 刀一屑接触表面节点等效应变曲线一3 9 刀一屑接触表面节点等效应力曲线一4 0 工件材料流动方向示意图”4 l c n m a l 2 0 4 0 8 型刀具外形尺寸简图4 2 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具磨损试验曲线4 3 刀具磨损电镜扫描图4 3 刀具磨损e d s 能谱分析- 4 4 v = 0 0 刀具后刀面磨损形貌一4 5 表格清单 表4 - l材料性能测试数据表1 6 表4 - 2t i ( c ，n ) 基金属陶瓷各组分的材料性能1 6 表4 3 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷其它材料性能1 6 表6 1 不同前角的主切削力2 4 表6 2 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷与硬质合金y t l 5 的材料性能3 5 表6 - 3卷屑模型切削参数设置3 7 表6 4部分节点数据一4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：7 田年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金理王、业盎堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金罡王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：云帝丞嘲船的翟时孑下宠 也 通讯地址： 陬辣 p 年午月门 日 电话：o 节7 1 - n j 计沪 邮编：妒谚 黧 致谢 本论文是在导师陈文琳副教授悉心指导下完成的。在三年的学习和科研工 作中导师对我一直辛勤培养、不倦教诲。在生活上给予我无微不至的关怀。本 研究论文在实验选题、实验设计、论文写作和论文修改等方面都得到导师的悉 心指导。导师高尚的思想品德、卓越的领导才能、渊博的专业知识、严谨的治 学态度、孜孜不倦的进取精神，给我留下了深刻印象，并激励着我不断进步。 正是导师的严格要求、大力支持和无私帮助，才使我的论文研究工作得以顺利 进行。值此论文完成之际，谨表示我对导师最衷心的感谢! 真诚感谢在论文选题、课题研究和评阅中给予我帮助的刘宁教授、刘全坤 教授、薛克敏教授、李萍教授、陈忠家副教授，他们给我提供了宝贵的建议。 感谢材料学院所有关心我的各位老师! 感谢师兄胡龙飞、胡成亮、孙正茂，以及本届朱玉生、王世东、来亚敏、 邓陶勇、肖飞、李拥军、陈轶平等同学的热心帮助，在此表示衷心的感谢! 深深的感谢我的父母家人和朋友对我的关爱与支持! 作者：李伟 2 0 0 7 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 切削工艺是通过刀具在工件表面切除多余的材料层来获得理想的工件形 状、尺寸以及表面光洁度的机械加工方法。如今，精密切翻和超精密切削已经 可以代替研磨等很费工的手工精加工工序，同时可以提高加工精度和加工质量。 随着电子、光学、生物医学等精密设备的使用需求不断增加，产品的体积越来 越小，对切削加工的质量就提出了更高的要求。为了提高切削产品特别是精密 和超精密切削的生产效率和加工质量，需要深入的研究切削机理、切削加工和 切屑形成理论。 在金属切削加工过程中，直接完成切削加工的是刀具的切削部分。刀具性 能的好坏，主要决定于构成刀具切削部分的材料。切削加工生产率和刀具耐用 度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等，在 很大程度上都取决于刀具材料切削性能的好坏。近年来，随着工件材料，特别 是各种难加工材料的迅速发展，出现了以金属陶瓷材料为代表的新型高生产率 的刀具材料：金属陶瓷材料是继金属材料、高分子材料之后出现的第三大类材 料，这种材料一般具有弹性模量大、极不容易变形、热稳定性好、高温耐氧化 能力强，以及重量轻、价格低廉等优点。因此，深受人们的青睐，并被广泛应 用于金属切削领域。 过去，人们对金属切削过程以及刀具切削性能的研究主要是利用切削试验 的方法，这种方法既费时费力，又增加了成本，不利于切削技术的发展。近几 十年来，随着科学技术的发展，计算机的功能逐渐强大，数值技术得到不断完 善和发展，一些数值方法，例如：有限单元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 以及人工智能技术被广泛应用于切削加工行业。其中，有限单元法成为了模拟 切削加工过程的一个强有力的工具，通过对切屑形成以及切削过程中热传导的 分析，可以预测切削过程中的很多变量，例如：切削力，切削温度、应变、应 变率以及应力、刀具磨损量等。 1 2金属切削过程有限元模拟技术的发展现状 有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有 限元法分析问题时，首先采用“化整为零”的办法，将连续体分解为有限个性 态比较简单的“单元”，对这些单元分别进行分析；然后采用“积零为整”的办 法，将各个单元重新组合为原连续体的简化“模型”，通过求解这个模型得到问 题的基本未知量( 例如：位移) 在若干离散点上的数值解；最后，根据得到的 数值解，再回到各个单元中计算其它物理量( 例如应变、应力) “1 。 目前为止，可以用于研究金属切削过程的商业有限元软件主要有：n i k e 2 ， a b a q u s s t a n d a r d ，m a r c ，s u p e r f o r m ，d e f o r m ，a l g o r ，f l u e n t ， a b a q u s ，e x p l i c i t 以及l s d y n a 等。另一方面，利用以上这些有限元软件， 已经可以对很多种刀具和工件材料进行切削过程的模拟：其中，可模拟的刀具 材料包括无涂层碳化物刀具、涂层碳化物刀具、立方氮化硼刀具、金属陶瓷刀 具、陶瓷刀具以及金钢石刀具；工件材料包括碳钢、复合材料、高合金钢、铸 铁、球墨铸铁等。 基于有限元方法，各国学者对金属切削过程都进行了大量的基础性研究。 s h i p p e n g l o ”使用有限元法分析了在精密加工中，刀具前角对切削力、切屑形 状、等效应力以及残余应力的分布和加工表面质量的影响：x i a o p i n g y a n g 和 c r i c h a r dl i u “1 建立了切削加工中摩擦力随压力变化的有限元模型，并研究了 它对残余应力的影响；y u n g - c h a n g y e n ”1 分析了切削刃的形状对切屑成形、切削 力和其它变量( 切削温度、应力和应变) 的影响；合肥工业大学的谢蜂等人利用 数值模拟的方法对金属切削起始阶段切削力变化过程进行了研究“1 。 国内外学者的研究表明，切削过程的有限元模拟对了解切削机理、提高切 削质量以及研发新型刀具材料都是有帮助的。但目前大多数的研究都停留在二 维模拟上，在实际切削过程中，切削是在三维变形域内进行的，工件和刀刃具 有三维的几何形状，为了更加深入的研究切削加工过程，对切削过程进行三维 模拟是很有必要的。 1 3 金属陶瓷刀具 金属陶瓷硬度高，强度高，韧性低，与传统的w c c o 基硬质合金相比具 有以下特点：高的红硬性，高温抗氧化性，高的热导率。这些性能使得金属陶 瓷刀具更适合于进行高速切削以及半精加工、精加工”1 ；另外，金属陶瓷刀具 使用寿命长，适于干切削，用金属陶瓷刀具加工的工件表面光洁度和尺寸精度 都较传统的硬质合金刀具高陆1 。日本对金属陶瓷特别青睐，目前，在日本的金 属切削领域中，金属陶瓷刀片已占可转位刀片总数的3 0 ，迄今仍在扩大应 用范围；美国虽只占5 ，但有人预示美国制造业中已经能看到大量应用金属 陶瓷的前景m ，。 如今，金属陶瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。超细晶粒 金属陶瓷可以提高切削速度，也可用来制造小尺寸刀具。纳米t i n 占2 1 5 改性的t i c 或t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热 性、耐蚀性、抗氧化性及高温硬度、高温强度等都有明显优势。与硬质合金刀 具相比，该刀具的耐用度和使用寿命都有很大的提高，切削速度提高1 5 3 倍， 成本与其相当或略高，而金属切削加工费用下降2 0 4 0 。与普通t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具相比，该刀具可靠性更高“”。 2 目前，t i ( c ，n ) 基金属陶瓷材料应用于切削加工领域也已成现实，并逐步取 代t i c 基金属陶瓷，被广泛用于碳钢和不锈钢的高速铣削、精加工和半抛光等 领域。另外，它还可用于各类发动机的高温部件或石化工业中各种密封环和阀 门，以及作各种量具。因此，其发展空间很大，是一种值得研究和探讨的材料。 1 4 课题背景概述 1 4 1课题来源 本课题来源于日本玻璃板基金项目( n o 1 0 3 4 1 3 3 7 1 ) ，安徽省自然科学基 ( n o 0 1 0 4 4 1 0 7 ) “超细t i ( c ，n ) 基金属陶瓷组织、力学性能和切削行为的研究”。 1 4 2 课题研究目的 由于金属切削过程的特殊性和复杂性，利用传统的试验法或者解析法很难 精确的计算出切削过程中温度和应力应变的分布规律以及刀具的磨损情况。本 文基于金属切削原理及金属塑性变形原理，以t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具为研究对 象，建立不同前角刀具切削过程的有限元模型，研究切削过程中切削力，温度 场、应力应变场的分布规律以及刀具磨损情况，并进行切削物理试验验证模拟 结果。为研究金属切削理论和研发新型刀具产品提供一种更为有效、可靠的方 法。 1 4 3 课题内容 本文的主要内容有： 1 ) 介绍金属切削有限元模拟以及金属陶瓷材料的相关知识及其发展现状； 2 ) 分析金属切削过程中的材料变形规律并介绍刀具材料及刀具磨损规律； 3 ) 针对数值模拟技术，介绍刚塑性有限元基本理论及热力耦合分析的基本 原理； 4 ) 基于液相烧结法制备新型t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具，并测试计算其材料 性能； 5 ) 建立二维切削刚塑性有限元模型，分析不同前角的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷 刀具切削过程中的切削力变化规律以及温度场和应力应变场的分布情况，研究 工件材料与切屑卷曲半径的关系，得出工件材料的断裂参数； 6 ) 建立三维切削刚塑性有限元模型，分析不同前角t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀 具切削过程中刀具的磨损情况： 7 ) 进行切削试验，对有限元分析结果进行论证。 第二章金属切削基本理论 2 1 金属切削变形理论 2 1 1 金属切削变形区的划分 在金属压缩试验中，当金属试件受压时，在其内部产生主应力的同时还将 在与作用力大致成4 5 。方向的斜截面产生最大切应力，在切应力达到材料的剪 切屈服强度时，金属材料将在此方向发生剪切滑移；切削过程中，刀具相当于 局部压缩金属的压块，使金属沿最大剪应力方向产生滑移。当切屑层金属达到 始滑移面处时，切应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层金属移到终 滑移面上时，剪切滑移终止，金属离开切削刃后形成切屑并沿前刀面流出。 在切削过程中，根据金属材料的塑性变形特点，可分为图2 。l 中的三个变 形区： i i i 图2 1 切削变形区示意图 图2 2 剪切角示意图 第1 变形区：始滑移面o a 与终滑移面o m 之问的变形区；由于这一区域 的宽度很窄( 约0 0 2 o 2 m m ) ，故常用o m 剪切面亦称滑移面来表示，它与切 削速度的夹角称为剪切角巾，如图2 2 所示。这一区间内金属的变形特点是只 发生沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化，因此这一区间又叫做剪切 4 区。 第1 【变形区；当切屑沿前刀面流出时，由于受到前刀面的挤压和摩擦作用， 切屑底部的一层金属流动滞缓并再次产生剪切变形，流动滞缓的金属层称为滞 流层，这一区域称为第二变形区。 第1 变形区：由于受到切削刃的挤压和后刀面的摩擦，已加工表面上的金 属再次发生严重变形，己加工表面与后刀面的接触区称为第三变形区。 2 1 2 切削变形程度的衡量 实践证明，在金属切削加工中。刀具切下的切屑厚度k 通常都要大于工件 上切削层的厚度；而切屑长度屯却小于切削层长度，如图2 3 所示。根据 这一事实来衡量切削变形程度，就得出了切削变形系数a 的概念。切屑厚度k 与切削层的厚度之比，称为厚度变形系数a 。：而切屑长度乙与切削层长度 之比称为长度变形系数a 即： h “= 挚 ( 2 - 1 ) f l d ， “= 壬 ( 2 - 2 ) f 曲 工件上的切削层金属变成切屑后，宽度变化很小，根据体积不变原理， 显然： 人蛔= a = a ( 2 - 3 ) 变形系数直观地反映了切削变形程度，且比较容易测量；t 是试件对 应于切屑长度乙的切削层长度；l a , 可以在试验时用电器保险丝量出。显见，人。 值越大，表示切屑越厚越短，标志着切削变形越大1 。 图2 - 3切削变形系数的计算参数 从图2 - 3 中可以推出a 。和妒的关系： 小等= 堂掣 故 a ；c o _ s ( 矽_ - r ) ( 2 4 ) s l n 口 从图2 - 3 及式2 - 4 可知，剪切角和切削变形有十分密切的关系。若减小， 切屑便变厚、变短，变形系数a 增大。 2 2 刀具材料简介 在切削过程中，刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任务。刀具切 削性能的优劣，取决于构成切削部分的材料、几何形状和刀具结构。由此可见 刀具材料的重要性，它对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本影响 极大。因此，应当正确选择和合理使用刀具材料，同时重视新型刀具材料的研 制。 2 2 1 刀具材料应当具备的性能 切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压 力和强烈的摩擦，刀具在高温下进行切削的同时，还承受切削力、冲击和振动。 因此刀具材料应具备高硬度( 特别是较高的高温硬度) 、高耐磨性、足够的强度 和韧性、良好的抗扩散及抗氧化性、良好的导热性和较小的线膨胀系数等性能。 2 2 2 常用刀具材料的种类 2 2 2 1高速钢 高速钢是一种加入了较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，常 用的牌号有w 1 8 c r 4 v ，w 6 m o s c r 4 v 2 等，高速钢具有较高的热稳定性、高的 强度，刀具制造工艺简单，是使用得较多的种刀具材料。 2 2 2 2 硬质合金 硬质合金是由难熔金属碳化物( w c ，t i c 等，又称高温碳化物) 和金属粘 结剂( 如c o ) 的粉末高温下烧结而成的，具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强 度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。硬质合金可分为w c 基和t i c 基 两大类。我国最常用的w c 基硬质合金有钨钻类( 如y g s 等) 和钨钛钴类( 如 y t 3 0 、y t l 5 、y t 5 等) ，由n i 粘结的t i ( c ，n ) 基硬质合金也称为金属陶瓷是本 文重点研究的刀具材料。 2 2 2 3 陶瓷 陶瓷刀具是以a 12 0 3 为基本成份在高温下烧结而成的陶瓷，最近几年也发 展了以氮化硅为基本成分的陶瓷。这类材料硬度高、耐用度高，还可用于冲击 负荷下的粗加工，切削效率显著提高。 6 2 2 2 4 超硬刀具材料 超硬刀具材料是指金刚石和立方氮化硼，金刚石的显微硬度达h v l 0 0 0 0 左右，是世界上己经发现的物质中最硬的，比硬质合金和陶瓷刀具的硬度要高 好几倍。金刚石具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的8 0 1 2 0 倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的6 0 8 0 倍。 立方氮化硼具有闪锌矿型晶体结构，属立方晶系，是一种硬度高、耐磨性 好的材料，具有很强的切削能力。 2 2 3 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷材料 2 2 3 1 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷材料的发展背景 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷是在t i c 基金属陶瓷基础上发展起来的一种具有高强 度、高硬度以及优良的高温、耐磨性能的新型金属陶瓷。其研制与开发已历经 三代“：第一代是二战期间，德国以n i 粘结t i c 生产金属陶瓷；第二代是 6 0 年代美国福特汽车公司发明的，将m o 添加到n i 粘结相中改善t i c 与其它 碳化物的润湿性，从而提高材料的韧性；第三代金属陶瓷则是将氮化物引入合 金的硬质相。改单一相为复合相，并通过添加c o 和其它元素改善了粘结相。 2 2 3 2 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷及其制备方法 金属陶瓷因其制造工艺与硬质合金相似，只是所含成分有所差异，所以有 人将金属陶瓷归入硬质合金类。t i ( c ，n ) 基金属陶瓷显微组织较为复杂，借用扫 描电子显微镜( s e m ) 的背散射电子( b s e ) 成像观察，芯环包覆相( c o r e r i m ) 显微 结构的衬度呈现三层“吲：芯部为黑色未溶解的t i ( c ，n ) 或t i n ，其相邻外层为 白色的环形结构内环相，因其内含最高浓度的重金属元素如w 、m o 、t a 、n b 、 h f 等，在b s e 下呈现最高的亮度；内环相之外是外环相，其内也含有重金属 元素，但浓度低于内环相，呈现出灰色衬度；硬质相嵌入在金属粘结相中，如 图2 4 所示。 图2 - 4t i ( c ，n ) 基金属陶瓷典型显微结构示意图 金属陶瓷的制备方法主要有以下两种： 1 ) 液相烧结法( 常规制备方法) 7 液相烧结法主要包括球磨、干燥、造粒、压制、烧结等几个步骤：首先按 试验配方将试验用原料粉末称量后，倒入尼龙球磨罐中并放入硬质合金球，采 用酒精湿磨；球磨后将混合料放入远红外烘箱中烘干，然后加入乙醇水溶液造 粒：混合科经造粒后，放入模具中进行压制成形；将压制成形的毛坯放入烘箱 中烘干后，再放入真空炉中进行脱脂；将脱脂后的试样放入真空炉中进行最终 烧结，烧结后即制得金属陶瓷材料。 2 ) 机械合金化方法 机械合金化( m e c h a n i c a la l l o y i n g ) 是在一个常温下利用高效球磨过程完成 的非平衡固态反应过程。通常将欲合金化的元素粉末按一定的比例，机械混合 于高能球磨机中，在长时间运转过程中将回转能传递给合金粉末，粉末在球磨 介质的反复冲击下经历反复的挤压和粉碎过程，最后形成固态合金材料。目前 利用机械合金化方法制备t i ( c ，n ) 基金属陶瓷还不是很成熟，但其作为一种新的 复相金属陶瓷制备方法，已经引起了广大材料工作者的关注。 2 2 3 3 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的发展趋势 经过三十多年的发展，t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的研究和应用取得了很大进展， 但与传统w c 基硬质合金相比仍有不足，突出表现在强度和韧性上。为此。今 后的研究工作一方面要围绕着t i ( c ，n ) 基金属陶瓷强韧性的提高，包括选择加入 新的添加剂和进行后续热处理工艺以进一步细化晶粒，从而提高材料强度，并 采用诸如复合合金化和相变增韧等方法提高材料韧性，使其可与涂层硬质合金 相竞争；另一方面，迸一步改善t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的耐磨性，使其达到陶瓷材 料的水平。同时采用多种手段，如预烧结固溶处理( p r e s i n t e r i n gs o l i ds o l u t i o n ) ， 简称( p s s s ) ，加入新的添加成分等方法解决t i ( c ，n ) 基金属陶瓷烧结时的脱氮等 问题，在保证t i ( c ，n ) 基金属陶瓷良好的烧结性能和机械加工性能的前提下，不 用或少用钴等稀缺资源，进一步降低成本，拓宽其应用领域“”。 2 3 刀具磨损基本理论 2 3 1影响刀具磨损的基本因素 切削过程中，造成刀具磨损的主要原因是刀具和工件之间的接触和摩擦以 及刀刃附近高温高压的极端恶劣的条件。切削区域任何一个单元接触条件的改 变都会影响刀具的磨损。这些条件包括： 1 ) 工件：包括工件材料及其物理性能( 力学性能、热学性能、微观结构、 硬度等) ，这些性能也决定了一定切削条件下的切削力和切削功： 2 ) 刀具：不同的切削工艺( 粗加工、半精加工或者精加工) 需要选择相应 的刀具材料、刀具涂层以及刀具几何规格( 刃磨质量、刀具角度等) 。只有选择 了正确的刀具参数和合适的切削条件( 切削速度、进给量、切削深度等) 才能 发挥刀具最优的切削性能： 3 ) 界面条件：即冷却润滑条件。大约8 0 的切削加工中都需要使用冷却 液来降低切削温度以减小刀具磨损； 4 ) 动态切削条件：刀具的动态性能受到整个加工系统的影响，同时它也是 影响切削加工质量的一个重要因素。当切削过程中车床振动较大或者刀跳较严 重时，将会导致刀具出现波动的过载现象，其最终结果是加速刀具的磨损甚至 是使切削刃过早断裂。 2 3 2 刀具的磨损类型 刀具磨损经常是机械、热、化学三种作用的综合结果，可以产生磨料磨损、 冷焊磨损，扩散磨损和氧化磨损等1 ： 1 ) 磨料磨损。切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结构中经常含 有的一些硬度极高的微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨 损。硬质点有碳化物( 如f e 3 c 、t i c 、v c 等) 、氮化物( 如t i n 、s i 3 n 4 等) 、 氧化物( 如s i 0 2 、a 1 2 0 3 等) 和金属间化合物。磨料磨损在各种切削速度下都 存在，但对于低速切削的刀具( 如拉刀、板牙等) ，磨料磨损为磨损的主要原因。 2 ) 冷焊磨损。切削时，切屑、工件与前后刀面之间存在很大的压力和强烈 的摩擦，因而它们之间会发生冷焊；由于摩擦副之间有相对运动，将产生冷焊 结，破裂的一方被另一方带走，从而造成冷焊磨损。一般来说，工件或切屑的 硬度较刀具材料的低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑一方；但由于交变 应力、接触疲劳、热应力以及刀具表层结构等缺陷原因，冷焊结的破裂也可能 发生在刀具一方，这时，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走从而造成刀具磨损。 3 ) 扩散磨损。高温下，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在 固态下相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，从而 加剧了刀具的磨损。 4 ) 氧化磨损。切削温度达到7 0 08 0 0 时，空气中的氧与硬质合金中的 钴及碳化钴、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物( 如c 0 3 0 4 、c o o 、 w 0 3 、t i 0 2 等) 被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。 9 第三章刚塑性有限元法及热力耦合分析基本理论 3 1 引言 有限元法起源于2 0 世纪4 0 年代的结构力学中的矩阵算法，在切削加工方面 的应用始于2 0 世纪7 0 年代；与其它传统的方法相比，有限元法具有以下一些特 点： 材料性能可以看作是应变、应变率以及温度的函数； 切屑和刀具间的相互作用可以看作粘结摩擦和滑动摩擦； 可以得到切削力、进给力以及切屑形态、局部应力、温度分布以及刀具 磨损等变量。 在切削过程的有限元模拟中，根据材料本构关系的不同可将有限元法分为 弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和粘塑性有限元法。弹塑性有限元法是1 9 6 7 年由m a r c a l 和k i n g 首先提出的“”，1 9 6 8 年山田嘉昭根据屈服准则的微分形式和 法向流动法则，推导出弹塑性应力一应变矩阵。弹塑性有限元法宜于处理板料 成形等问题，而处理变形较大的切削加工问题时，所需计算时间长，并且随着 变形的逐步增大会出现明显的误差。针对弹塑性有限元法存在的问题，l e e 和 k o b a y a s h i 于1 9 7 3 年提出了刚塑性有限元法。该法采用刚塑性材料模型，忽略 材料的弹性部分，比较适宜于模拟切削过程。金属在高温下或某些对应变速率 敏感的材料在常温下表现出来的材料粘性，对材料塑性变形规律有较大的影响， 在有限元模拟中必须加以考虑。z i e n k i e w i e z 于1 9 7 2 年提出了粘塑性材料的有限 元法，进一步扩展了有限元法在切削过程中的应用。 在切削过程中，温度对加工的影响是不容忽视的，工件在发生变形的同时 伴随着温度的变化。因此在分析切削过程时，还必须考虑温度的影响，即进行 温度场与变形场的耦合计算。采用刚粘塑性有限元法分析切削问题，可以对切 削过程中工件材料的变形过程、工件与刀具的温度场变化、切削力，以及刀具 受力及磨损甚至失效原因等进行详细的热力耦合分析，从而可以分析和防止产 品的缺陷问题，为保证工件质量、选择机床设备、指定合理加工工艺、改善刀 具性能以及研发新型刀具材料提供可靠依据。 3 2刚粘塑性有限元法 材料在一定的条件下的应力应变曲线是应变速率的函数。这就是所谓的材 料粘性变形性质，碳钢的切削过程可以看作是一种粘塑性流动。剐粘塑性有限 元法就是只考虑粘塑性变形而忽略其弹性变形的一种数值计算方法。 3 2 1刚粘塑性流动基本方程 用刚粘塑性有限元法分析金属塑性变形时，材料应满足以下基本假设： 1 0 1 ) 只考虑材料的塑性变形，而忽略其弹性变形； 2 ) 材料连续、均质、各向同性： 3 ) 材料服从m i s e s 屈服条件，且等向强化： 4 ) 材料在变形过程中满足体积不变条件； 5 ) 不计体积力和惯性力； 6 ) 材料同时存在应变强化和应变率强化。 设某一刚粘塑性体的体积为v ，在表面力p f 作用下这个变形体处于塑性状 态，表面积为s ，分为力面咒和速度面鼠，其中s p 上给定表面力a ，s 上给定 速度妒，则刚粘塑性材料的塑性变形过程中满足以下基本方程“2 ”： ( 1 ) 平衡微分方程： 乃2 0 ( 3 1 ) 式中，吒为应力张量，f ，= 1 , 2 ，3 ( 下同) 。 ( 2 ) 几何方程： 岛。主( + 叫 ( 3 2 ) 式中，毒+ 为应变速率。 ( 3 ) 本构关系： 乞= 2 万f f o t ( 3 3 ) 式中， 厅= 三乃7 为等效应力，旁= ；南毛为等效应变速率，吒为应力偏张 量。 ( 4 ) 屈服条件： 万= 孑( 手，享，r ) ( 3 - 4 ) 式中，r 为变形温度。 ( 5 ) 体积不可压缩条件： e y = e l ? 6 4 = 0 t 3 - 5 1 式中磊为克氏符号 ( 6 ) 边界条件 应力边界条件： = p ls s p 速度边界条件： q = v l os 昂 式中，表示讳表面上任一点处单位外法线矢量的分量。 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 3 2 2 刚粘塑性有限元的变分原理 刚粘塑性有限元的基础理论是基于m a r k o v 变分原理，表述为：在所有满 足动可容条件和速度容许条件的速度场中，真实的速度场使下列泛函取最小值： 兀。jp 痢矿一i s , p v d s + i s , z a v d s ( 3 8 ) 引入材料的不可压缩条件后，该泛函的一阶交分为： a t = i v g b 毒d v + k i ，矗晚d v - l p & d s + i s ，r ：t a v d s ( 3 9 ) 式中，p 为边界s 。上的给定外力，f ，为工件与工具边界上的摩擦力，v