硅堿鈣石微晶玻璃可加工機理的有限元分析

王雙華 張 軍 張恒

（鄭州大學機械工程學院復合材料研究所，河南鄭州450001）

0 引言

硅堿鈣石微晶玻璃加工機理的研究包括的范圍很廣，涉及材料在加工過程中工藝參數(shù)的優(yōu)化、加工工具的設計、加工成本的降低、材料的高效加工和精密加工、材料的低表面損傷加工以及材料的結構和性能設計等。目前，有關微晶玻璃加工機理的研究方法大致可以分為三類：應用材料結構特點的理論分析方法、應用力學分析的理論研究方法和加工觀察的試驗研究方法[1]。本文主要從加工過程的有限元模擬這一方面對硅堿鈣石微晶玻璃的可加工機理進行研究。

1 硅堿鈣石微晶玻璃的鉆削加工過程模型化

硅堿鈣石微晶玻璃的鉆削加工過程可以模型化為兩個步驟：

（1）首先，沿著鉆頭刃鋒前進方向（鉆頭旋轉(zhuǎn)的切線方向）遇到材料的阻力，同時刃鋒也給材料以作用力（即切削力）。在切削力作用下，微晶玻璃在接觸刃鋒區(qū)域產(chǎn)生應力集中，并引發(fā)微裂紋，其方向與刃鋒前進方向有一個夾角（見圖1(a)）。

（2）而后，在切削力的繼續(xù)作用下，材料在接觸刃鋒區(qū)的微裂紋將會向前擴展。對于不同微結構的材料，裂紋的擴展情況會有明顯的不同。(a)一般微晶玻璃是粒狀微晶和非晶玻璃基體構成的自生復合材料，粒狀晶體和基體界面結合牢固。當裂紋前進過程中遇到晶體時，每個方向的結合都很強，常發(fā)生穿晶斷裂，此過程易引發(fā)裂紋沿原方向的高速擴展（見圖1(b)），其結果在宏觀加工面上表現(xiàn)為材料的去除面凹凸不平，加工精度不能保證。這種情況被認為是由于材料的可加工性能不好所致。(b)對于硅堿鈣石微晶玻璃來說，由于短柱狀微晶有弱結合的鏈狀結構，當裂紋前沿遇到微晶時，裂紋會發(fā)生分叉、偏轉(zhuǎn)，這會耗散較大的能量。另外，當裂紋向前擴展時，強度和剛度都較基體高很多的柱狀微晶會被從基體材料中拔出，這也要消耗較大的能量。由此，裂紋的擴展不會沿著原方向高速前進，而會向著表面方向偏轉(zhuǎn)（見圖1(c)），其結果在宏觀表現(xiàn)為材料的去除僅僅沿著刃鋒前進的方向，加工精度可以保證，材料可加工性能優(yōu)良。

在硅酸鹽中，一個硅氧四面體有兩個頂點被共用，而形成各種環(huán)狀和鏈狀結構結合的長鏈。鏈上未飽和的氧離子通過金屬陽離子來達到飽和狀態(tài)，并由此把鏈和鏈連接在一起。硅堿鈣石就是這樣一種單鏈狀的結構。在鏈狀硅酸鹽中單鏈[SiO4]4－在一維方向通過橋氧相連，Si∶O=1∶3。在這類硅酸鹽結構中，硅是在（SiO3）n2n-單鏈的形式中存在，[SiO4]4－通過公共橋氧，在一維方向連接成長鏈型硅酸鹽。同一結構單元中，鍵內(nèi)的Si-O鍵要比鏈間的R-O鍵強的多（R一般為金屬正離子）。因此，這些硅酸鹽很容易沿鏈間結合較弱之處劈裂成柱體。

綜上所述，由于硅堿鈣石具有單鏈狀結構，較弱的鏈間結合力使其易于劈裂，形成微裂紋，可吸收或分散鉆頭頂部（刀具刃部）附近的能量，在加工時控制裂紋在微小區(qū)域內(nèi)沿著最小主應力的方向擴展而不發(fā)生破壞性斷裂，從而獲得易于加工的性能。為了進一步說明問題，對微晶玻璃加工過程中的應力分布和裂紋擴展方向進行了有限元模擬。

2 有限元模擬的準備工作

由于微晶玻璃加工過程中存在裂紋生產(chǎn)和擴展，在理論上，一般應用斷裂力學理論分析材料的切削加工機理。對于脆性材料切削加工過程的研究，也基于斷裂力學的分析方法。加工過程中裂紋的形成、擴展以及斷裂與材料的去除密切相關。考慮到切削條件和材料特性，采用有限元分析刀具前端變形區(qū)的應力狀態(tài)。平面應變狀態(tài)下，分析材料的直角切削過程的受力，如圖2所示。

斷裂力學分析的前提是固體內(nèi)部已經(jīng)含有裂紋，可以假設初始裂紋生產(chǎn)于刀具切削刃的前端，也可以假定被切削材料中產(chǎn)生的最大主應力超過材料的抗拉強度時產(chǎn)生了初始裂紋，從而確定初始裂紋的位置和對應的切削條件。圖3給出了有限元分析計算過程。

鉆削是一種重要的切削加工工藝。為了深入研究可加工微晶玻璃的加工原理，需要對鉆削加工過程中的斷裂力學進行分析。有限元數(shù)值模擬技術為解決這一問題提供了有效的技術手段，應用有限元數(shù)值模擬技術，可以對孔的鉆削過程的物理-力學特征進行分析。

普通鉆頭是機械加工中使用量較大的一種孔加工刀具，它主要用來在實體上加工出孔或擴大孔徑。在普通鉆頭中，標準麻花鉆應用最廣，約占鉆頭使用量的70%，這是由于麻花鉆有許多優(yōu)點：如允許重磨次數(shù)較多，使用方便且經(jīng)濟，具有導向部分，因而鉆削精度較高；刀刃的幾何形狀合理，可使生產(chǎn)效率提高。本文中采用的是普通標準麻花鉆，直徑為3mm，頂角2θ＝120°，螺旋角β＝25°，鉆尖厚度K＝0.6mm，鉆頭的結構后角為14.5°。為了準確表示麻花鉆的切削刃，特給出了麻花鉆頭部的立體圖，見圖4。麻花鉆在工作時的主刃為切削刃，即圖中的Cutting lip所指的部位。

采用的ANSYS有限元軟件具有網(wǎng)格自動劃分處理器，可以自動的進行網(wǎng)格劃分。在工件和刀具接觸而導致高溫的區(qū)域網(wǎng)格自動劃分比較細密，而那些遠離切削刃的區(qū)域網(wǎng)格自動劃分較粗。幾何變形是通過計算機模擬過程中的網(wǎng)格自動劃分來獲得的。表1列出了工件和麻花鉆的主要參數(shù)。

3 分析及討論

表1 工件和刀具的特性Tab.1 The properties of the workpiece and the cutter

本文微晶玻璃鉆削試驗使用的切削鉆如圖4所示，由圖可知在切削過程中同時有兩個切削刃進行切削，切削角度為14.5°。為了便于計算，將鉆削過程簡化為二維模型，并只計算一個切削刃的情況。

3.1 鉆頭刃鋒前沿材料的有限元模型和網(wǎng)格劃分

單元分析是有限元法的基礎。模型的工件尺寸為0.0084m×0.0122m，工件的單元網(wǎng)格自由劃分，模擬過程中采取了8節(jié)點四面體單元網(wǎng)格形式。工件單元類型是絕對網(wǎng)格類型，最大網(wǎng)格單元的尺寸和最小網(wǎng)格單元尺寸的比例設為10。刀具網(wǎng)格類型是相對網(wǎng)格類型，其單元數(shù)為20000。系統(tǒng)的自動網(wǎng)格劃分程序防止單元網(wǎng)格的過度畸變。把被加工材料的邊界條件簡化為固定邊，所建立的有限元模型如圖5所示。

3.2 鉆頭刃鋒前沿的材料參數(shù)和切削力輸入

材料參數(shù)為：微晶玻璃的E=80GPa；泊松比=0.23，受到的切削力F由下式算出。

3.3 鉆頭刃鋒前沿材料的應力場求解

應用ANSYS軟件自帶的子程序進行求解。

3.4 鉆頭刃鋒前沿材料的應力場分析及討論

由ANSYS軟件自動畫出的應力場分布見圖6。

圖6顯示在鉆頭刃鋒處材料有很高的應力集中，此處將引發(fā)微裂紋。而裂紋的擴展則直接導致了材料的被切削下來。從圖6中可以看出，最大應力的方向出現(xiàn)在沿著鉆頭刃鋒前進的方向，這就表示沿著刃鋒前進的方向，最容易產(chǎn)生微裂紋，從而能使材料有效地被加工而不至于產(chǎn)生破壞性后果。這一情況被視為該材料能夠進行常規(guī)的機械加工。

4 結論與展望

通過將硅堿鈣石微晶玻璃的鉆削加工過程模型化為兩個步驟，采用有限元模擬的方法對其可加工機理進行了理論研究，發(fā)現(xiàn)該材料在鉆頭刃鋒作用下，最大應力的方向出現(xiàn)在沿著鉆頭刃鋒前進的方向，這就表示沿著刃鋒前進的方向，最容易產(chǎn)生微裂紋，從而能使材料有效地被加工而不至于產(chǎn)生破壞性后果。這一情況被視為該材料能夠進行常規(guī)的機械加工。但是對于裂紋尖端的應力分布及走向沒有進一步深入研究，在今后的實驗過程中會逐漸深入地研究微裂紋尖端在加工過程中的應力分布，以及最佳的加工參數(shù)等問題。

1龔江宏.陶瓷材料斷裂力學.北京:清華大學出版社,2001