工程陶瓷在金剛石工具取孔加工中出口崩邊的有限元分析①

王秀奇,張鳳林*,陳 夢,曹 根,周玉梅,2

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,廣州510006；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機電工程學(xué)院,廣州510225)

1 引言

工程陶瓷具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損、耐熱、抗腐蝕、抗氧化、防核輻射等優(yōu)異的性能,使之廣泛應(yīng)用于機械、電子、航空航天、能源、軍事等領(lǐng)域。但是由于其硬脆特性,導(dǎo)致其加工比多數(shù)金屬材料困難得多,因此需要優(yōu)質(zhì)高效經(jīng)濟實用的的陶瓷加工新工藝新技術(shù)[1]。陶瓷的孔加工常使用金剛石工具[2,3],但由于金剛石套料鉆自身以及加工過程中的轉(zhuǎn)動、進給等加工條件的影響,使得孔的加工質(zhì)量不好控制,尤其是入口崩邊情況、孔壁質(zhì)量、出口崩邊情況。為了改善陶瓷孔加工過程中孔表面加工質(zhì)量問題,防止出現(xiàn)崩邊和微裂紋,田欣利[4]等人研究了基于單顆粒金剛石磨削陶瓷材料的有限元仿真。

近年來,眾多學(xué)者使用有限元進行脆性材料損傷的研究。K.Ueda等人使用靜力學(xué)加載與斷裂力學(xué)的分析方法研究了幾種陶瓷材料發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變的臨界切削深度[5],分析結(jié)果與實驗值基本上吻合。T.Shirakashi等人[6]對脆性材料損傷進行了相應(yīng)的有限元仿真,發(fā)現(xiàn)切削深度低于臨界深度時,脆性材料加工方式可以轉(zhuǎn)化為塑性去除方式。最近A.G.Mamalis等人[7]使用商用有限元軟件Marc的自動網(wǎng)格重劃分功能對陶瓷等脆性材料進行了相應(yīng)的仿真研究,結(jié)果更接近實驗結(jié)果,這種方法取消了材料損傷中預(yù)設(shè)的分離線,更加符合實驗的結(jié)果。

現(xiàn)在,研究人員越來越多的利用大型商用有限元軟件研究脆性材料的斷裂損傷過程,優(yōu)化了各種加工工藝參數(shù),本文主要是通過相應(yīng)的有限元分析軟件分析陶瓷材料邊緣破碎的原因,并提出相應(yīng)的解決措施。

2 加工原理

金剛石套料鉆由于其岀刃高、容屑空間大,不易堵塞,已廣泛應(yīng)用于工程陶瓷的孔加工過程中。如圖1所示,在加工過程中,金剛石套料鉆主要通過端面金剛石磨削陶瓷材料來達到材料去除的目的,由于金剛石在溫度過高時會出現(xiàn)碳化現(xiàn)象,因此,在加工時要在鉆頭上部通冷卻液,冷卻液進入端部弧區(qū)帶走去除材料,減小了套料鉆、切屑及工件間的摩擦,使得金剛石套料鉆有更長的壽命。通過多次試驗分析可以得出,在套料鉆加工陶瓷材料的過程中,陶瓷的邊緣會出現(xiàn)整體的斷裂,為了得到更好的出口質(zhì)量,我們一般通過施加預(yù)應(yīng)力來干涉陶瓷鉆出過程中的受力狀態(tài),以獲得更好的出口質(zhì)量。

圖1 金剛石套料鉆加工示意圖Fig.1 Schematic illustration of diamond core drill machining

3 有限元模型

本文運用abaqus商用有限元軟件,對工程陶瓷的孔加工過程進行有限元仿真。采用脆性材料有限元本構(gòu)分析模型,通過數(shù)值模擬研究,結(jié)合陶瓷磨削斷裂機理,分析在鉆頭鉆出過程中陶瓷材料的應(yīng)力分布情況,以及在鉆出邊緣材料應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)合此實驗的實驗數(shù)據(jù)以及加工完成后陶瓷的外觀形貌,來分析陶瓷孔加工過程中的邊緣損傷破損情況,以及采取的相應(yīng)的避免措施。

3.1 材料模型

陶瓷加工過程中材料以脆性斷裂和塑性變形兩種方式去除,其能量主要消耗于金剛石與工件間的滑擦、耕犁。氧化鋁陶瓷材料是以脆性斷裂去除為主,消耗于滑擦、耕犁的能量少,故其切割比能較小。

從圖2中可以看到在初始損傷出現(xiàn)以前陶瓷材料的本構(gòu)曲線符合胡克定律,當(dāng)達到陶瓷材料的初始損傷應(yīng)力以后,陶瓷材料由于是脆性材料會出現(xiàn)近似線性的損傷累積,隨著損傷的累積,陶瓷材料最終會脫離工件表面[8]。

圖2 陶瓷材料損傷本構(gòu)模型Fig.2 Constitutive model of ceramic material damage

3.2 有限元模型及其邊界條件(圖3)

工件材料采用氧化鋁工程陶瓷材料,根據(jù)對稱性原理將三維加工圖形轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二維圖形進行分析,工件尺寸25mm×8mm,中間尺寸2.5mm×7.0mm。

圖3 有限元模型及邊界條件施加Fig.3 Finite element model and boundary condition

3.3 材料參數(shù)(表1)

陶瓷材料屬于脆性材料,根據(jù)強度理論,我們采用最大主應(yīng)力來作為陶瓷材料的初始損傷準則,損傷演化我們選擇線性損傷準則。

表1 斷裂分析模型有限元分析方案Table 1 Finite element analysis scheme of fracture model

3.4 斷裂過程仿真分析

工程陶瓷加工過程是一個高度非線性的問題,涉及材料的損傷,當(dāng)金剛石套料鉆鉆出過程中,由于陶瓷材料底面受拉應(yīng)力作用,陶瓷材料抗拉強度比抗壓強度低大約一個數(shù)量級,所以會出現(xiàn)非正常的材料整體脫落。以下仿真結(jié)果圖(圖4)主要是解釋陶瓷斷裂過程中應(yīng)力分布情況,使用了xfem有限元分析方法,里面定義了一個時間步。在這一個步長里陶瓷材料逐漸斷裂,是由于軟件在處理非線性問題時,用到牛頓迭代方法。我們首先規(guī)定一個初始分析步,如果在這個步長內(nèi)結(jié)果收斂,則進行下一次迭代,如果不收斂,步長自動減到原步長的0.5倍,以此類推。由于開始涉及到損傷,收斂較困難,所以時間步才會非常小,到了材料完全斷裂以后,如果在該分析步長下,迭代5次之內(nèi)都收斂,則分析步長會增大1倍,所以完全斷裂之后,時間會有那么大的間隔。圖中的彩色云圖說明了這個材料整體的應(yīng)力分布情況。左上角的顏色梯度有對應(yīng)的數(shù)值大小。

如圖4所示,裂紋起始擴展階段,隨著套料鉆鉆頭的進一步運動,陶瓷材料底部所承受應(yīng)力會逐漸累積,當(dāng)達到陶瓷材料的損傷初始應(yīng)力時,材料會發(fā)生一個微觀的損傷,隨后損傷逐漸累積,當(dāng)達到材料的斷裂極限時即圖中紅色部分,陶瓷材料會發(fā)生宏觀的裂紋。當(dāng)出現(xiàn)宏觀裂紋以后,材料內(nèi)部的應(yīng)力會釋放出來,驅(qū)動裂紋會進一步擴展,此外,隨著套料鉆的進給運動,裂紋繼續(xù)增長。從圖中可以看到金剛石工具在鉆出過程中,由于底面受力狀態(tài)的變化,底部材料會首先出現(xiàn)微裂紋,隨著套料鉆的進給,裂紋繼續(xù)擴展,直到完全斷裂。從中我們可以看出,材料的去除不再是金剛石磨粒的磨削作用導(dǎo)致的材料脫落,而會出現(xiàn)整體的脆性斷裂。為了防止此現(xiàn)象的發(fā)生,可以通過在底面增加墊板或者通過施加預(yù)應(yīng)力來改善陶瓷材料的受力狀態(tài),從而改善陶瓷孔邊緣的加工質(zhì)量。

從陶瓷鉆孔加工外形輪廓可以看出(圖5),陶瓷材料的底部會出現(xiàn)整體的崩邊行為[9],通過實驗研究以及有限元仿真分析,基本可以找到發(fā)生此種現(xiàn)象的原因。陶瓷材料屬于脆性材料,并且其抗壓強度比抗拉強度大約大一個數(shù)量級,在金剛石套料鉆鉆出過程中,陶瓷底部由于沒有支撐,使得底部陶瓷材料受力狀態(tài)由當(dāng)初的受壓變成受拉,所以陶瓷材料邊緣出現(xiàn)崩邊,從圖6可以看出,基本上與仿真結(jié)果類似。

陶瓷屬于脆性材料,我們主要觀察它的最大主應(yīng)力變化過程,先是陶瓷材料內(nèi)部應(yīng)力逐漸累積,當(dāng)達到一個極限時,此時材料會出現(xiàn)損傷,導(dǎo)致承載面減少,出現(xiàn)一個迅速的應(yīng)力釋放,這部分的能量一部分轉(zhuǎn)化為材料斷裂后的表面能,一部分用于驅(qū)動裂紋繼續(xù)增長,直到完全斷裂。

圖4 金剛石工具取孔加工氧化鋁陶瓷板的一個截面的有限元仿真Fig.4 Finite element simulation of one cross section for alumina ceramic plate machined by diamond core drill

圖5 氧化鋁陶瓷鉆出孔及去除材料部分Fig.5 The photo of processed alumina ceramic workpiece

圖6材料斷裂過程中單元主應(yīng)力Fig.6 Unit principal stress of the fracture process of materials

4 結(jié)論

通過與有限元軟件相結(jié)合,我們觀察到了陶瓷材料斷裂的動態(tài)過程,分析得出陶瓷材料底面破碎的原因是由于受力狀態(tài)的變化,從而為我們解決相應(yīng)的問題提供了各種可行的方法,現(xiàn)在我們一般通過在材料上施加預(yù)應(yīng)力,在底面加墊板來改善陶瓷的受力狀態(tài),這樣會大大改善陶瓷邊緣破損,使加工質(zhì)量達到我們的要求。

參考文獻：

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[9] 郭方全.碳化硅陶瓷球的磨削機理研究[D].機械科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文,2006.