基于FEM的纳米TiN改性金属陶瓷刀具的切削性能研究

何光春

(四川工商职业技术学院，成都 611830)

基于FEM的纳米TiN改性金属陶瓷刀具的切削性能研究

何光春

(四川工商职业技术学院，成都 611830)

文章以纳米TiN改性金属陶瓷刀具作为研究对象。基于大变形－大应变、增量理论及拉格朗日算法，建立了Cockcroft＆Latham断裂分离及磨损准则的有限元模型，并对AISI1045钢进行切削加工模拟。改变刀具角度，得到不同角度纳米TiN改性金属陶瓷刀具切削过程中的主切削力、温度及后刀面磨损变化曲线，模拟结果与相关切削理论比较吻合。结合刀具磨损SEM形貌，简要分析了此刀具磨损机理。文章的研究能够为后期新型刀具材料的研究开辟了新路径，以期到达缩短研制周期，降低成本的目的。

有限元;纳米TiN改性TiC基金属陶瓷;数值模拟;Archard磨损模型

0 引言

早期的TiC基金属陶瓷是用来填补WC-Co系硬质合金和AL2O3陶瓷工具材料之间的空隙，适于做高速精加工的工具［1］。与传统硬质合金相比，cermetμm刀具由于具有硬度高、耐磨性及导热性好等优良的综合性能，日本现已广泛应用于金属材料的切削加工中。纳米材料由于具有高强度、高硬度等优良特性，因此向常规的陶瓷中添加纳米材料可获得性能优越的复合材料［2-3］。目前，有关纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具切削性能研究还比较少，主要是由于切削实验昂贵的成本。因此，计算机模拟分析切削加工被应用于这一领域，虽然与实际切削实验尚有一定差距，但还是能对新型刀具材料的研制提供理论依据，并降低试验成本。

1 TiN改性TiC基金属陶瓷成分及性能

刀具化学成分为56TiC-8TiN(nm)-20Mo-15Ni-1C。采用粉末冶金法制备TiN改性TiC基金属陶瓷，材料的机械物理性能如表1。

表1 TiN改性TiC基金属陶瓷机械物理性能

2 切削加工有限元模拟

切削加工过程中，由于刀具的作用，切削层金属、切屑和零件表面层金属都要发生弹性变形和塑性变;同时，由于刀具前刀面与切屑底层、后刀面与已加工表面间都存在摩擦现象，这些因素都在一定程度上消耗着主轴电机的功率，其被消耗的功率在力学上表现为切削抗力。并且切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破坏、使用寿命、加工精度和已加工表面质量。同时切削温度又影响材料机械物理性能，从而影响切削应力的大小。因此，切削过程是一个热力耦合的问题。

2.1 大变形有限元方程

本模型采用更新拉格朗日法，忽略体力作用，运用虚功增量原理，将材料在大变形条件下的热弹塑性本构方程［4］表示如下:

2.2 摩擦模型

切屑/刀具界面摩擦条件可利用基本Coulomb摩擦规律、极限剪切应力Coulomb摩擦规律或实验设计摩擦模型进行建模。金属切削加工中，沿切屑 /刀具界面产生最大剪切应力区域总被描述为粘结区。无论接触压力多大，当等效剪切应力达到极限剪切应力值时，将发生粘结现象。所以，倘若给定摩擦系数和极限剪切应力，那么滑动和粘结区大小就能用模拟决定。数学上［5］可表述如下:

2.3 分离准则

金属切削加工是一个使加工材料不断分离的过程。考虑到金属材料变形断裂的相似性，应用Cockroft-Latham切屑断裂标准，通过高温拉伸试验计算出断裂塑性能，并同金属材料变形断裂所需的能量建立映射关系，将其作为判断金属材料延性断裂的临界能量值，标准描述如下:

式中:εf为高温拉伸断裂时的总应变;¯σ为等效应力;ε为等效应变;σ*为最大拉伸应力;C为临界断裂值。

2.4 刀具磨损模型

切削加工时，刀具与零件间产生高压高温，事必软化刀具，从而发生磨损。本文中，利用Archard模型来计算刀具磨损，其表达式如下:

式中，p为界面压力，v为滑动速度，H为刀具材料硬度，d t为时间增量，a，b，c，k 为试验验证系数。

2.5 有限元模型及模拟设置

为了减小运算量，只选取切削路径附近区域的部分工件和刀具刀尖部分作为研究对象。在边界条件的处理上，给工件内表面施加全约束，刀具做旋转运动和进给运动。其有限元模型如图1。刀具及工件材料性能参数如表1，2。

图1 切削加工有限元模型

切削参数如下:f=0.3mm/r;v=50mm/s;ap=0.3mm。

表2 AISI1045性能参数

3 结果与讨论

3.1 主切削力分析

如图2所示为模拟纳米TiN改性金属陶瓷刀具切削的主切削力均值随前角变化曲线。可以看出，前角为负值时，由于刀具与切屑摩擦大，导致主切削力较大;前角在 －10°～10°范围内，刀具锋利，主切削力较小。前角大于10°刀具散热体积减小，刀具迅速变钝，导致主切削力增大。

3.2 加工材料温度分析

如图3所示为后角为15°时加工材料已加工面上一点温度变化曲线。随切削初始阶段，温度急剧上升，达到340℉，并趋于平稳，这是由于切削开始后，后刀面与已加工面发生挤压摩擦，导致温度迅速攀升;继续加工，刀具后面逐渐磨损，与已加工面接触摩擦面积增大，温度略有升高。

3.3 加工材料应力分析

如图4所示为后角为15°时加工材料已加工面残余应力均值随后角变化曲线。后角为负值时，后刀面与已加工面接触摩擦面积大，导致已加工面残余应力增大;后角为0°－10°范围内，残余应力较小，趋于平稳;大于10°，已加工面残余应力又有所增大，这是由于后角为正值并增大后，刀具散热面积减小，温度上升，导致后刀面磨损加剧，于是与已加工面接触面积增大，导致残余应力增加。

3.4 刀具磨损分析

如图5所示为纳米TiN改性金属陶瓷刀具后刀面温度变化图。随着切削加工进行，后刀面温度迅速攀升，接近900℉;之后变化不大。这些由于金属陶瓷刀具导热系数不大，散热慢，以至使与已加工面挤压摩擦的后刀面温度增加较快。

图6所示为纳米TiN改性金属陶瓷刀具后刀面随后角变化的磨损量，图7所示为纳米TiN改性金属陶瓷刀具切削实验刀具后刀面磨损形貌。后角为负值时，其磨损较快，主要是因为后刀面与已加工面接触面积大，摩擦及挤压严重所致;后角为5°时，磨损最小，此时刀具后刀面与已加工面接触面积较小，并且散热较快所致。图8所示为刀具前刀面磨损SEM图。从图8可以看出，刀具前刀面上产生月牙洼磨损，伴有少量积屑瘤产生。原因在于:前角为负值时，切屑与前刀面产生剧烈的摩擦滑动，温度升高，软化了刀具前刀面及切屑底层金属，即产生所谓的冷焊效应，从而产生月牙洼磨损。

图6 后刀面磨损量变化图

4 结束语

(1)利用有限元技术对纳米TiN改性陶瓷刀具切削加工进行了模拟研究，得出主切削力、温度等的变化曲线，其规律与相关切削理论比较吻合。

(2)联系切削实验，应采用较小正前角与后角，并且适合高速半精加工和精加工。

(3)比较切削实验，模拟法还是存在一定差距。有待进一步更新算法、改进有限元模型以得到更加精确的模拟结果，从而为缩短新型刀具研制周期、降低实验成本打下坚实的基础。

［1］张琳.改善碳化钛基合金韧性的研究［J］.硬质合金，1980(2):10－19.

［2］张立德，等.纳米材料学［M］.沈阳:辽宁科学技术出版社，1994.

［3］潘劲松，等.纳米科学的类别及其依据［J］.材料导报，2000，14(11):28 －29.

［4］Ship-Peng Lo，An analysis of cutting under different rake angles using the finite element method，J.Mater.Process.Technol.2000，105:143 －151.

［5］A.J.Haglund，H.A.Kishawy* ，R.J.Rogers An exploration of friction models for the chip—tool interface using an Arbitrary Lagrangian—Eulerian finite elementmodel，Wear 2008，265:452 －460.

(编辑 赵蓉)

The Study on Machining of Nano-TiN Modified Cermets Cutters based on FEM

HE Guang-chun
(Sichuan Technology and Business College，Chengdu 611830，China)

In this paper,nano-TiN modified TiC-based cermets cutters are taken as object investigated.Based on large deformation-strain,increment theory and Lagrangian equation,to establish machining finite elementmodel of Cochcroft＆Latham fracture and Archard wear rule.And AISI1045 steel is used to simulate the cutting process.And obtain the dominating force/temperature/wear graph of nano-TiN modified cermets cutter by changing rake angle,the simulated results is comparatively in agreementw ith relevantmachining theory.And thewearmechanism is analyzed in briefby combining SEM.This study may be able to develop new way for the coming new cuttermaterials,to expect to aim to shorten researched cycle and lower the cost.

FEM;nano-TiN modified TiC-based cermets;Numerical Simulation;Archard model

TH16;TG65

A

1001－2265(2011)06－0094－04

2010－11－22

何光春(1975—)，男，四川工商职业技术学院讲师，博士，主要从事机电及模具类教学与科研工作，(E－mail)hgc3690@yahoo.com.cn。