基于LS-DYNA的微細(xì)磨料小角度沖蝕氧化鋁陶瓷材料去除機(jī)理數(shù)值模擬*

王 濤，侯榮國，黃傳真，呂 哲，馮延森

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049;2. 山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250000)

0 引言

工程陶瓷具有極高的硬度，良好的耐磨性和耐腐蝕性以及脆性高等特點(diǎn)，陶瓷材料在宇航、電子、汽車以及冶金等各部門的應(yīng)用日益廣泛[1-2]。磨料水射流由于具有無熱反應(yīng)區(qū)、加工效率高、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，成為陶瓷材料零件加工的主要選擇。為此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量深入的研究，在磨料水射流加工陶瓷材料工藝及其零件加工表面特征分析等方面做了大量的卓有成效的工作。取得了許多有價值的結(jié)論，如磨料水射流加工工藝參數(shù)對沖蝕表面特征如顆粒沖蝕深度和陶瓷材料去除率的影響規(guī)律。作為典型的硬脆材料，陶瓷材料的去除機(jī)理非常復(fù)雜，一般認(rèn)為有兩種形式即：脆性斷裂和延性去除[3]。脆性斷裂去除方式是通過空隙和裂紋的成形或延伸、剝落及碎裂等方式來完成；而延性去除方式與金屬切削成形過程類似，包含剪切成形、滑擦、耕犁[4]。而微細(xì)磨料水射流沖蝕加工陶瓷材料時特別是小角度加工陶瓷材料時的材料去除機(jī)理尚未明晰，因此，本文借助LS-DYNA軟件數(shù)值模擬微細(xì)磨料小角度沖蝕氧化鋁陶瓷材料過程[5-6]，分析微細(xì)磨料對陶瓷材料去除機(jī)理，以及研究工藝參數(shù)如磨料形狀、速度，沖蝕角度對陶瓷材料表面特征的影響規(guī)律，探討磨料水射流沖蝕陶瓷材料時，高效率的獲得高質(zhì)量表面的途徑。

1 微細(xì)磨料小角度沖蝕陶瓷模擬模型的建立

圖1是微細(xì)磨料小角度沖蝕工件示意圖，微細(xì)磨料以速度v，沖蝕角度α沖擊工件。其中磨料顆粒特征尺度為0.01mm， 工件尺寸為0.1×0.1×0.1mm，靶距為1mm，建立的數(shù)值模擬物理模型如圖2所示。磨料速度v分別為100、150、200、250和300 m/s，沖蝕角度α分別為10°、15°、20°、25°和30°。磨料的物理力學(xué)性能如表1所示。

圖1 微細(xì)磨料小角度沖擊工件示意圖

圖2 微細(xì)磨料小角度沖擊工件物理模型(八面體)

材料名稱密度(kg/m3)彈性模量(GPa)泊松比碳化硅40004500.26

當(dāng)微粒高速沖蝕時，工件材料發(fā)生較大的變形，使部分材料得以去除，因此屬于大變形動力學(xué)過程。LS-DYNA顯式算法是分析材料發(fā)生大變形過程的有效方法[7]，其接觸算法采用ESTS侵蝕接觸算法，當(dāng)工件材料在接觸時發(fā)生失效，接觸仍在剩余的單元進(jìn)行。在陶瓷材料本構(gòu)模型方面，JH-2陶瓷本構(gòu)模型的應(yīng)用較為廣泛[8-10]。該模型是一個唯象本構(gòu)模型，可以較精確地描述平面碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。氧化鋁陶瓷的JH-2本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示。

表2 氧化鋁陶瓷材料本構(gòu)模型參數(shù)[11]

2 模擬結(jié)果及其分析

圖3是八面體磨料沖蝕氧化鋁陶瓷時材料的變形、應(yīng)力和應(yīng)變分布演變圖。模擬結(jié)果表明，當(dāng)八面體磨料沖擊工件時，被沖擊處的材料首先向兩側(cè)產(chǎn)生隆起，然后磨料慢慢切入工件，當(dāng)沖蝕角度較大時，工件材料變形量就越大，受到的法向沖擊力以及應(yīng)力和應(yīng)變范圍也越大，磨料嵌入工件也越深。

進(jìn)一步分析得，當(dāng)八面體磨料沖擊工件時，材料受沖擊力產(chǎn)生彈性變形，而后沖擊力超過彈性極限后，材料開始產(chǎn)生塑性變形，隨著沖蝕的繼續(xù)，有效應(yīng)力逐漸積累而增大，且向四周擴(kuò)散，當(dāng)材料所受最大有效應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，材料發(fā)生破壞。隨著沖擊時問的持續(xù)增加，材料變形量逐漸增大，應(yīng)力擴(kuò)散范圍越大，變形量超過磨料體積后，磨料嵌入工件材料中。

(a) t=0.05s

(b) t=0.064s

(c) t=0.069s

(d) t=0.074s(vp=200m/s，α=20°)

圖4a和圖4b分別是球形微細(xì)磨料和八面體微細(xì)磨料小角度沖蝕工件時陶瓷材料橫截面應(yīng)力分布圖。模擬結(jié)果表明，由于磨料的高速沖蝕，使材料在沖蝕處的前下方產(chǎn)生較大的應(yīng)力，其值也隨磨料的向前運(yùn)動而增加，磨料的沖蝕作用使工件表面上形成溝槽，從左到右越來越深。球形磨料形成的溝槽截面形狀不規(guī)則，前下方的應(yīng)力分布比較集中，而八面體磨料由于具有銳邊，在翻轉(zhuǎn)過程中對材料產(chǎn)生滑擦，因此沖蝕坑形狀比較規(guī)則，其前下方應(yīng)力分布較均勻。

總之，微細(xì)磨料小角度沖蝕氧化鋁陶瓷材料時，材料表面沖蝕坑形狀、橫截面應(yīng)力分布與磨料形狀關(guān)系密切。相較于球形磨料，八面體磨料在沖蝕氧化鋁陶瓷材料時更容易嵌入工件，且沖蝕深度較大，另外由于八面體磨料各側(cè)面受力不均勻，以及工件變形阻力的影響，導(dǎo)致磨料與工件相互作用過程中對工件材料產(chǎn)生“犁耕作用”，沖蝕坑表面較規(guī)則。

(a) 球形磨料

(b) 八面體磨料(vp=200m/s，α=20°)

圖5是微細(xì)磨料小角度沖蝕時陶瓷材料變形能變化演變圖。由圖可見，在沖蝕過程中，工件材料的變形能隨著磨料動能的積聚而不斷增加，磨料沖擊動能消耗完畢后，材料變形能緩慢釋放直至恢復(fù)原狀態(tài)。另外，磨料粒子在沖蝕過程中由于材料變形的阻力，速度瞬間降低，而后由于彈性恢復(fù)而回彈，材料的變形內(nèi)能先增大而后減小。

(球形，vp=200m/s)

3 結(jié)論

借助LS-DYNA軟件模擬分析了微細(xì)磨料小角度沖蝕氧化鋁陶瓷材料過程。通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析表明八面體、球形磨料分別較小角度沖蝕氧化鋁陶瓷材料時，陶瓷材料表面產(chǎn)生溝槽，沿磨料表面向兩側(cè)發(fā)生隆起，隨后磨料慢慢切入工件。由此揭示了在微細(xì)尺度范圍內(nèi)，材料首先由彈性方式去除，當(dāng)沖擊力超過彈性極限后，材料去除方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄匀コ?，其中沖蝕深度、材料變形量、表面應(yīng)力應(yīng)變與速度和沖蝕角度成正比。八面體磨料由于其具有鋒利的刃邊，使其在沖蝕陶瓷材料時，更容易切入工件，由于磨料各側(cè)面受力不均，導(dǎo)致磨料在嵌入工件的過程中發(fā)生翻轉(zhuǎn)，對工件材料產(chǎn)生“犁耕作用”，沖蝕坑表面較均勻。