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梯度功能陶瓷刀具切削应力场的有限元分析

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发表于 2010-9-12 10:24:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  1.引言

8 C" O6 n4 h9 H$ w# \& e4 g / R4 G6 \5 V* M

  陶瓷刀具材料具有高熔点、高硬度、良好的耐磨性及抗腐蚀性等优点,但也具有脆性大、抗热震性不高等缺点。梯度功能陶瓷刀具由于其材料本身组分的非均匀性,显著提高了刀具材料的机械物理性能。本文通过建立梯度功能陶瓷刀具的实际切削模型,利用有限元法(FEM)计算了在相同切削条件下,具有不同梯度分布的刀具的应力场分布。计算结果表明,应力场的分布及大小与梯度分布指数n有关(梯度分布指数n是设计、制备梯度材料的基本参数,用于描述梯度材料中某一组分含量沿坐标的变化规律,n值的大小决定梯度变化的快慢)。利用该研究结果,我们已成功地开发出了Al2O3/TiC系等梯度功能陶瓷刀具材料。

& K {# x2 D% h+ C( Y ; f# S- ]5 R( o4 Y/ F) S

  2.梯度分布形式的设计

) p- T: ?; H% g( e8 @5 ~1 w' ^( H 2 m" I% V9 [* l8 e1 `1 m

  梯度功能材料是一种组分、结构和机械物理性能参数都呈连续变化的非均匀性材料。从理论上讲,梯度的变化具有任意性,只要这种梯度构成形式在数学上是连续可导的,就能够保证材料性质的变化是连续的。考虑到梯度表达的简明性和制造工艺的可行性(目前采用粉末冶金铺层工艺制备梯度功能材料),采用了指数分布形式的梯度设计,同时考虑到切削时的实际情况,将梯度形式设计为对称型的双指数分布形式,假定梯度材料仅由A、B两种组分构成,其数学表达式为

# }/ e o5 x; F# } 5 z* w5 b7 ^9 y1 r/ q0 Y6 s

    (1)

. _ C; m% O6 m$ ~1 y- N) i h1 N' b

  式中n——梯度分布指数

2 @4 w2 ~* h* S+ y4 q 1 U; H3 L: ]* r# S* P* N- w

   Z——沿梯度方向的等效位置坐标

, @. c/ m9 {# T2 ~$ H T0 g+ H ' W. Q! W! I/ l4 L; I

   f0,f1——分别为表面层和中间层B组分体积的百分比含量

0 a5 d% `( a$ }6 t5 v, S 3 K7 C# e) }* h4 n% e3 R

  与(1)式对应的双向梯度分布曲线如图1所示。

7 m$ O5 H- \( Z% ~' f4 H7 ]' j% J% w

  图1双向梯度分布曲线

k, P: r) J. p) x9 [ ' P, f% g3 b/ M, q0 \6 `! y

  由于实际制造材料时采用分层制备的热压烧结工艺,所以难以得到连续的梯度分布,只能采用离散的铺层来拟合梯度曲线,实际的梯度分布如图2所示。每层铺层厚度的确定方法可参阅文献。

0 q% T6 l2 M- p6 @* ]8 ~ ) ~4 M7 p: ^0 D' r3 d) T

  图2实际的梯度分布简图

2 |) r$ {1 X9 t1 o; I % Y% {3 g* Y b

  3.刀具计算模型的建立

e. W3 ]5 b: E% @. I8 y5 L 8 I" h, M" Z$ b

  根据公式(1),以Al2O3/TiC系梯度功能陶瓷刀具为例,计算了不同梯度分布指数下刀具切削时的应力场分布,梯度分布指数n分别取0.6,0.8,1.0,…,2.2。计算模型的尺寸、形状与实际的切削刀具相同,如图3所示。

+ T4 z2 s- |6 [3 ]# u7 }5 K8 P0 ]8 E) S 2 T9 U; E, X0 \# A w

  图3刀具切削模型示意图

, [$ i$ Z' q' I c 0 N. p1 I" m# y

  切削过程中,在刀-屑接触区内产生切削力和切削热。以陶瓷刀具SG-4连续切削45淬硬钢为例,切削力在三个方向上的分力分别为 

 (2)

! A& I$ | K+ C% L" r 0 C! W( D# r7 Q) {7 z9 Q

  切削试验表明,梯度功能陶瓷刀具切削中产生的切削力的大小与(2)式基本相符,因此,可用该式估算梯度功能陶瓷刀具切削过程中产生的切削力。

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