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1.引言 ! k/ h8 l4 O" o1 O, r& ^
( U4 u) w- i3 A9 x( t# o; J/ V 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。
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) W3 ?6 w0 W$ S 2.梯度分布形式的设计
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4 y& W. m4 M. Y( R 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
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/ f' a0 M- `3 }& ?1 h! B, V: x/ d8 s (1) I; d4 W( i9 B# _. Z$ q
0 r- A8 v2 c1 H0 ]9 J* h6 } 式中n——梯度分布指数 $ f# Q/ h9 N1 }
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Z——沿梯度方向的等效位置坐标 ^: Z# R$ P9 U
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f0,f1——分别为表面层和中间层B组分体积的百分比含量 9 @( h. Z: b4 K/ `' F9 e
4 H: @/ E" ^& `3 J- b3 Q 与(1)式对应的双向梯度分布曲线如图1所示。 # ?9 n9 b4 |' U( q" a5 i. M% @0 p
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图1双向梯度分布曲线 ) a" R; u: B. [4 T. |3 |% Q5 D
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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。
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图2实际的梯度分布简图
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3.刀具计算模型的建立 9 ]; D& D; ~% o6 S9 G. ]) G5 u
) `1 P% a/ [, e% m 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。
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; |2 r. N% I! _ 图3刀具切削模型示意图
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1 s( w$ e8 ]0 x3 V) w 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) 7 l" C) B! q2 B: C3 I
& @( e Y) \1 t+ m 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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