硅堿鈣石微晶玻璃可加工機(jī)理的有限元分析

王雙華 張 軍 張恒

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院復(fù)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(jī)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(shè)計(jì)、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(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)等。目前，有關(guān)微晶玻璃加工機(jī)理的研究方法大致可以分為三類：應(yīng)用材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的理論分析方法、應(yīng)用力學(xué)分析的理論研究方法和加工觀察的試驗(yàn)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(duì)硅堿鈣石微晶玻璃的可加工機(jī)理進(jìn)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(gè)步驟：

（1）首先，沿著鉆頭刃鋒前進(jìn)方向（鉆頭旋轉(zhuǎn)的切線方向）遇到材料的阻力，同時(shí)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(yīng)力集中，并引發(fā)微裂紋，其方向與刃鋒前進(jìn)方向有一個(gè)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(huì)向前擴(kuò)展。對(duì)于不同微結(jié)構(gòu)的材料，裂紋的擴(kuò)展情況會(huì)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(gòu)成的自生復(fù)合材料，粒狀晶體和基體界面結(jié)合牢固。當(dāng)裂紋前進(jìn)過程中遇到晶體時(shí)，每個(gè)方向的結(jié)合都很強(qiáng)，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(kuò)展（見圖1(b)），其結(jié)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(rèn)為是由于材料的可加工性能不好所致。(b)對(duì)于硅堿鈣石微晶玻璃來說，由于短柱狀微晶有弱結(jié)合的鏈狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)裂紋前沿遇到微晶時(shí)，裂紋會(huì)發(fā)生分叉、偏轉(zhuǎn)，這會(huì)耗散較大的能量。另外，當(dāng)裂紋向前擴(kuò)展時(shí)，強(qiáng)度和剛度都較基體高很多的柱狀微晶會(huì)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(kuò)展不會(huì)沿著原方向高速前進(jìn)，而會(huì)向著表面方向偏轉(zhuǎn)（見圖1(c)），其結(jié)果在宏觀表現(xiàn)為材料的去除僅僅沿著刃鋒前進(jìn)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(gè)硅氧四面體有兩個(gè)頂點(diǎn)被共用，而形成各種環(huán)狀和鏈狀結(jié)構(gòu)結(jié)合的長(zhǎng)鏈。鏈上未飽和的氧離子通過金屬陽(yáng)離子來達(dá)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(zhǎng)鏈型硅酸鹽。同一結(jié)構(gòu)單元中，鍵內(nèi)的Si-O鍵要比鏈間的R-O鍵強(qiáng)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(jié)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(jié)構(gòu)，較弱的鏈間結(jié)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(shí)控制裂紋在微小區(qū)域內(nèi)沿著最小主應(yīng)力的方向擴(kuò)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(jìn)一步說明問題，對(duì)微晶玻璃加工過程中的應(yīng)力分布和裂紋擴(kuò)展方向進(jìn)行了有限元模擬。

2 有限元模擬的準(zhǔn)備工作

由于微晶玻璃加工過程中存在裂紋生產(chǎn)和擴(kuò)展，在理論上，一般應(yīng)用斷裂力學(xué)理論分析材料的切削加工機(jī)理。對(duì)于脆性材料切削加工過程的研究，也基于斷裂力學(xué)的分析方法。加工過程中裂紋的形成、擴(kuò)展以及斷裂與材料的去除密切相關(guān)?？紤]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(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)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(xué)分析的前提是固體內(nèi)部已經(jīng)含有裂紋，可以假設(shè)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(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生了初始裂紋，從而確定初始裂紋的位置和對(duì)應(yīng)的切削條件。圖3給出了有限元分析計(jì)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(duì)鉆削加工過程中的斷裂力學(xué)進(jìn)行分析。有限元數(shù)值模擬技術(shù)為解決這一問題提供了有效的技術(shù)手段，應(yīng)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，可以對(duì)孔的鉆削過程的物理-力學(xué)特征進(jìn)行分析。

普通鉆頭是機(jī)械加工中使用量較大的一種孔加工刀具，它主要用來在實(shí)體上加工出孔或擴(kuò)大孔徑。在普通鉆頭中，標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆應(yīng)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(diǎn)：如允許重磨次數(shù)較多，使用方便且經(jīng)濟(jì)，具有導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)后角為14.5°。為了準(zhǔn)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(shí)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(dòng)劃分處理器，可以自動(dòng)的進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在工件和刀具接觸而導(dǎo)致高溫的區(qū)域網(wǎng)格自動(dòng)劃分比較細(xì)密，而那些遠(yuǎn)離切削刃的區(qū)域網(wǎng)格自動(dòng)劃分較粗。幾何變形是通過計(jì)算機(jī)模擬過程中的網(wǎng)格自動(dòng)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(yàn)使用的切削鉆如圖4所示，由圖可知在切削過程中同時(shí)有兩個(gè)切削刃進(jìn)行切削，切削角度為14.5°。為了便于計(jì)算，將鉆削過程簡(jiǎn)化為二維模型，并只計(jì)算一個(gè)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(chǔ)。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(diǎn)四面體單元網(wǎng)格形式。工件單元類型是絕對(duì)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(shè)為10。刀具網(wǎng)格類型是相對(duì)網(wǎng)格類型，其單元數(shù)為20000。系統(tǒng)的自動(dòng)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(jiǎn)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(yīng)力場(chǎng)求解

應(yīng)用ANSYS軟件自帶的子程序進(jìn)行求解。

3.4 鉆頭刃鋒前沿材料的應(yīng)力場(chǎng)分析及討論

由ANSYS軟件自動(dòng)畫出的應(yīng)力場(chǎng)分布見圖6。

圖6顯示在鉆頭刃鋒處材料有很高的應(yīng)力集中，此處將引發(fā)微裂紋。而裂紋的擴(kuò)展則直接導(dǎo)致了材料的被切削下來。從圖6中可以看出，最大應(yīng)力的方向出現(xiàn)在沿著鉆頭刃鋒前進(jìn)的方向，這就表示沿著刃鋒前進(jìn)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(jìn)行常規(guī)的機(jī)械加工。

4 結(jié)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(gè)步驟，采用有限元模擬的方法對(duì)其可加工機(jī)理進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)該材料在鉆頭刃鋒作用下，最大應(yīng)力的方向出現(xiàn)在沿著鉆頭刃鋒前進(jìn)的方向，這就表示沿著刃鋒前進(jìn)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(jìn)行常規(guī)的機(jī)械加工。但是對(duì)于裂紋尖端的應(yīng)力分布及走向沒有進(jìn)一步深入研究，在今后的實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)逐漸深入地研究微裂紋尖端在加工過程中的應(yīng)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(xué).北京:清華大學(xué)出版社,2001