基于LS-DYNA的微细磨料小角度冲蚀氧化铝陶瓷材料去除机理数值模拟*

王 涛，侯荣国，黄传真，吕 哲，冯延森

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049;2. 山东大学 机械工程学院，济南 250000)

0 引言

工程陶瓷具有极高的硬度，良好的耐磨性和耐腐蚀性以及脆性高等特点，陶瓷材料在宇航、电子、汽车以及冶金等各部门的应用日益广泛[1-2]。磨料水射流由于具有无热反应区、加工效率高、加工质量好等优点，成为陶瓷材料零件加工的主要选择。为此，国内外学者开展了大量深入的研究，在磨料水射流加工陶瓷材料工艺及其零件加工表面特征分析等方面做了大量的卓有成效的工作。取得了许多有价值的结论，如磨料水射流加工工艺参数对冲蚀表面特征如颗粒冲蚀深度和陶瓷材料去除率的影响规律。作为典型的硬脆材料，陶瓷材料的去除机理非常复杂，一般认为有两种形式即：脆性断裂和延性去除[3]。脆性断裂去除方式是通过空隙和裂纹的成形或延伸、剥落及碎裂等方式来完成；而延性去除方式与金属切削成形过程类似，包含剪切成形、滑擦、耕犁[4]。而微细磨料水射流冲蚀加工陶瓷材料时特别是小角度加工陶瓷材料时的材料去除机理尚未明晰，因此，本文借助LS-DYNA软件数值模拟微细磨料小角度冲蚀氧化铝陶瓷材料过程[5-6]，分析微细磨料对陶瓷材料去除机理，以及研究工艺参数如磨料形状、速度，冲蚀角度对陶瓷材料表面特征的影响规律，探讨磨料水射流冲蚀陶瓷材料时，高效率的获得高质量表面的途径。

1 微细磨料小角度冲蚀陶瓷模拟模型的建立

图1是微细磨料小角度冲蚀工件示意图，微细磨料以速度v，冲蚀角度α冲击工件。其中磨料颗粒特征尺度为0.01mm， 工件尺寸为0.1×0.1×0.1mm，靶距为1mm，建立的数值模拟物理模型如图2所示。磨料速度v分别为100、150、200、250和300 m/s，冲蚀角度α分别为10°、15°、20°、25°和30°。磨料的物理力学性能如表1所示。

图1 微细磨料小角度冲击工件示意图

图2 微细磨料小角度冲击工件物理模型(八面体)

材料名称密度(kg/m3)弹性模量(GPa)泊松比碳化硅40004500.26

当微粒高速冲蚀时，工件材料发生较大的变形，使部分材料得以去除，因此属于大变形动力学过程。LS-DYNA显式算法是分析材料发生大变形过程的有效方法[7]，其接触算法采用ESTS侵蚀接触算法，当工件材料在接触时发生失效，接触仍在剩余的单元进行。在陶瓷材料本构模型方面，JH-2陶瓷本构模型的应用较为广泛[8-10]。该模型是一个唯象本构模型，可以较精确地描述平面碰撞实验结果。氧化铝陶瓷的JH-2本构模型参数如表2所示。

表2 氧化铝陶瓷材料本构模型参数[11]

2 模拟结果及其分析

图3是八面体磨料冲蚀氧化铝陶瓷时材料的变形、应力和应变分布演变图。模拟结果表明，当八面体磨料冲击工件时，被冲击处的材料首先向两侧产生隆起，然后磨料慢慢切入工件，当冲蚀角度较大时，工件材料变形量就越大，受到的法向冲击力以及应力和应变范围也越大，磨料嵌入工件也越深。

进一步分析得，当八面体磨料冲击工件时，材料受冲击力产生弹性变形，而后冲击力超过弹性极限后，材料开始产生塑性变形，随着冲蚀的继续，有效应力逐渐积累而增大，且向四周扩散，当材料所受最大有效应力达到屈服极限后，材料发生破坏。随着冲击时问的持续增加，材料变形量逐渐增大，应力扩散范围越大，变形量超过磨料体积后，磨料嵌入工件材料中。

(a) t=0.05s

(b) t=0.064s

(c) t=0.069s

(d) t=0.074s(vp=200m/s，α=20°)

图4a和图4b分别是球形微细磨料和八面体微细磨料小角度冲蚀工件时陶瓷材料横截面应力分布图。模拟结果表明，由于磨料的高速冲蚀，使材料在冲蚀处的前下方产生较大的应力，其值也随磨料的向前运动而增加，磨料的冲蚀作用使工件表面上形成沟槽，从左到右越来越深。球形磨料形成的沟槽截面形状不规则，前下方的应力分布比较集中，而八面体磨料由于具有锐边，在翻转过程中对材料产生滑擦，因此冲蚀坑形状比较规则，其前下方应力分布较均匀。

总之，微细磨料小角度冲蚀氧化铝陶瓷材料时，材料表面冲蚀坑形状、横截面应力分布与磨料形状关系密切。相较于球形磨料，八面体磨料在冲蚀氧化铝陶瓷材料时更容易嵌入工件，且冲蚀深度较大，另外由于八面体磨料各侧面受力不均匀，以及工件变形阻力的影响，导致磨料与工件相互作用过程中对工件材料产生“犁耕作用”，冲蚀坑表面较规则。

(a) 球形磨料

(b) 八面体磨料(vp=200m/s，α=20°)

图5是微细磨料小角度冲蚀时陶瓷材料变形能变化演变图。由图可见，在冲蚀过程中，工件材料的变形能随着磨料动能的积聚而不断增加，磨料冲击动能消耗完毕后，材料变形能缓慢释放直至恢复原状态。另外，磨料粒子在冲蚀过程中由于材料变形的阻力，速度瞬间降低，而后由于弹性恢复而回弹，材料的变形内能先增大而后减小。

(球形，vp=200m/s)

3 结论

借助LS-DYNA软件模拟分析了微细磨料小角度冲蚀氧化铝陶瓷材料过程。通过对模拟结果进行分析表明八面体、球形磨料分别较小角度冲蚀氧化铝陶瓷材料时，陶瓷材料表面产生沟槽，沿磨料表面向两侧发生隆起，随后磨料慢慢切入工件。由此揭示了在微细尺度范围内，材料首先由弹性方式去除，当冲击力超过弹性极限后，材料去除方式转变为塑性去除，其中冲蚀深度、材料变形量、表面应力应变与速度和冲蚀角度成正比。八面体磨料由于其具有锋利的刃边，使其在冲蚀陶瓷材料时，更容易切入工件，由于磨料各侧面受力不均，导致磨料在嵌入工件的过程中发生翻转，对工件材料产生“犁耕作用”，冲蚀坑表面较均匀。