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《基于离散元法的涂层硬质合金刀具建模及其加工损伤预测》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第32卷第5期计算力学学报Vol.32,No.52015年10月ChineseJournalofComputationalMechanicsOctober201520140815姜胜强文章编号:1007-4708(2015)05-0668-06基于离散元法的涂层硬质合金刀具建模及其加工损伤预测姜胜强*,李添添,刘浩瀚,谭援强,高伟,张高峰(湘潭大学机械工程学院,湘潭411105)摘要:首先建立了TiCN涂层硬质合金刀具基体材料(WC)的离散元模型,根据单轴压缩、三点弯曲以及断裂韧性等数值试验方法校准了基体材料离散元模型的微观参数,然后采用划痕法校准了基体与涂层的
2、界面结合强度。根据Merchant切削模型,建立了涂层刀具切削过程中的刀-屑接触模型,通过对切屑施加周期性边界条件来模拟实际的切削加工过程;模拟了涂层刀具加工过程中的裂纹扩展和破坏情况,并预测了切削加工用量对涂层裂纹扩展及破坏的影响。关键词:涂层硬质合金刀具;切削加工;裂纹扩展;离散元法中图分类号:O158文献标志码:Adoi:10.7511/jslx201505015用涂层硬质合金刀具对Ti-6Al-4V进行了高速干1引言铣削,研究表明刀具涂层的失效机理主要为磨粒磨涂层硬质合金刀具由于其优良的切削性能而损、粘结磨损、氧化磨损以及热-机械疲劳磨损的综广泛应用于车
3、削、锐削、铝削和铸铁等难加工材料[4-6]合作用。此外,还有学者采用梁弯曲法(如三点的机械加工场合,尤其在高速切削、干式切削等领弯曲、四点弯曲)来研究涂层刀具裂纹的形成与扩域发挥着不可替代的作用。但切削过程中(尤其是展情况。总体来说,采用实验的方法很难实时监控断续切削时)刀具涂层部位常常出现裂纹、磨损甚加工过程中涂层硬质合金刀具内部裂纹的变化情至剥落等现象,严重影响其切削性能以及加工效况,而有限元数值仿真虽能弥补物理实验的不足,率。因此,如何准确预测涂层硬质合金刀具的裂纹但由于其在裂纹扩展模拟方面的固有特点,在模拟形成和扩展一直是国内外学者不断探索的问题。涂层刀
4、具内部裂纹形成及扩展方面是一个极为薄目前,学者主要从有限元模拟、实验分析等方弱的环节。目前,在研究硬脆材料裂纹方面出现了面对涂层硬质合金刀具裂纹的形成和扩展进行了一些新的数值模拟方法,其中离散元法引起研究人[1]研究。Kot等采用脉冲激光沉积的方法在钢基员的广泛关注。离散元法的优点是适用于模拟硬体上制备出厚度为0.7μm~2.4μm的TiN涂层,脆性材料在准静态或动态条件下的裂纹扩展及材并用有限元模拟压痕试验,得出TiN涂层出现裂料破坏过程,已广泛应用于陶瓷和混凝土等硬脆性纹的法向临界应力为2GPa~3GPa。Holmberg材料[7-10]的断裂及破坏过程分析
5、。[2]等对2μm厚的钢基体TiN涂层进行划痕实验,本文将采用离散元法开展TiCN涂层硬质合发现随着法向载荷的增加,涂层表面逐渐呈现出马金刀具离散元建模及其加工损伤预测方面的研究。蹄形的损伤,并验证了涂层的断裂韧性强度与涂层首先建立TiCN涂层硬质合金刀具基体材料(WC)[3]内部拉伸应力及裂纹间距有关。李安海等则采的离散元模型,根据单轴压缩、三点弯曲以及断裂韧性等数值试验方法校准基体部分离散元模型的收稿日期:2014-08-15;修改稿收到日期:2015-05-14.基金项目:国家自然科学基金(51275436,51404209);湖南省自微观参数,参照刀具的
6、显微形貌初步建立涂层硬质然科学基金(14JJ6013);湘潭大学博士科研启动基合金刀具的离散元模型。模拟涂层硬质合金刀具金(12QDZ22);湖南省教育厅一般项目(14C1068)资助项目.的划痕试验,比较划痕过程中划痕力的变化情况,作者简介:姜胜强*(1986-),男,博士,讲师对比模拟结果与实验结果来完成涂层硬质合金刀(E-mail:jsqcx@126.com);李添添(1990-),男,硕士生.具的离散元模型的校准。之后再根据Merchant第5期姜胜强,等:基于离散元法的涂层硬质合金刀具建模及其加工损伤预测669[11]切削模型建立刀-屑接触模型,对涂层
7、刀具切削过程涂层损伤和失效进行预测。2涂层硬质合金刀具的离散元模型2.1涂层刀具基体部分离散元模型的建立及校准TiCN涂层硬质合金刀具基体材料的主要成分为碳化钨(WC),属于一种典型的硬脆性材料。图2位移软化接触模型Fig.2Displacementsofteningcontactingmodel本文采用PFC2D程序生成一个颗粒随机分布且颗粒紧密排列的BPM模型,通过模拟单轴压缩、划痕法校准其力学性能。[8]三点弯曲和单边切口梁等试验来校准所建立的2.3涂层刀具涂层及其界面离散元模型的校准基体离散元模型微观参数,校准结果列入表1。由于涂层硬质合金刀具涂层材料的
8、特殊性和结合界面的复杂性
