高速切削速度對硬質(zhì)合金切削溝痕寬度和切削力的影響

關(guān)鋒

摘要：為了能夠更加深入分析加工難度大的材料特性，利用分子動力學(xué)方法來分析了高速切削深度對Ni3Al硬質(zhì)合金切削參數(shù)影響。研究結(jié)果表明：在刀具的前部與下部形成了更多的工件晶格變形區(qū)，而經(jīng)過加工后的表面形成了更少能夠?qū)崿F(xiàn)保持彈性恢復(fù)的工件原子。所有切削速度下都形成了正的溝痕前后寬度差，切削溝痕的前端具有比后端更大的寬度，表現(xiàn)為“前寬后窄”的變化趨勢。隨速度的提高，經(jīng)硬度測試發(fā)現(xiàn)工件發(fā)生應(yīng)變過程引起的硬化程度更顯著，從而獲得更強的抵抗變形的性能。

關(guān)鍵詞：高速切削速度;Ni3Al硬質(zhì)合金;切削參數(shù);仿真分析

0? 引言

目前已有許多計算機處理技術(shù)被用于模擬分子動力學(xué)（MD）過程，該領(lǐng)域已經(jīng)成為計算機模擬的一個重要發(fā)展方向，主要通過分析原子與分子等層面的微觀結(jié)構(gòu)變化及其特性來獲得粒子的物化屬性[1-3]。同時對于機械加工行業(yè)來說，對工件尺寸精度提出了更高要求，各類高精密處理方法獲得了大量開發(fā)與應(yīng)用，從而顯著提高零件加工過程的控制精度，可以實現(xiàn)納米尺度的控制效果。同時還可以對零部件進行納米切削處理使其表面獲得納米級平整度[4-6]。為了能夠更加深入分析加工難度大的材料特性，可以利用分子動力學(xué)的方法來研究對此類材料進行高速切削的處理過程，為開發(fā)難加工材料處理技術(shù)提供理論支持。

1? Velocity-Verlet算法

當一個系統(tǒng)中含有粒子數(shù)量為N時，可以利用拉格朗日函數(shù)L來表示不同粒子的運動狀態(tài)，具體計算式如下所示：

各粒子都各自單獨的運動方式，此時可將整個系統(tǒng)運動過程利用微分方程組進行表示。從本質(zhì)層面上分析，可以將牛頓運動方程理解為是根據(jù)設(shè)定時間步長對方程組按照時間坐標完成積分計算。按照設(shè)定的最初參數(shù)，再通過合適的算法求解方程組獲得所需結(jié)果，由此得到粒子在體系內(nèi)的運動過程。Velocity-Verlet具體算法如下：

為了獲得與真實狀況更相符的切削模型，可以針對工件在不同區(qū)域的組織層建立相應(yīng)的工件模型，通?？蓪⑵浞殖蛇吔鐚?、牛頓層與恒溫層三部分。通過仿真方法對切削過程的熱量分布于流動狀態(tài)進行了測試，把接近邊界層區(qū)域的幾層原子設(shè)置成恒溫層，從而確保在切削階段形成的熱量可以被高效傳導(dǎo)到外部。控制恒溫層處于290K的恒溫狀態(tài)，利用分子動力學(xué)對速度進行模擬并適當調(diào)整恒溫層原子運動速度來實現(xiàn)。

2? 切削速度對切削過程的影響

2.1 切削參數(shù)設(shè)置

材料的加工質(zhì)量受到切削速率高低的顯著影響，同時對材料切削狀態(tài)及其加工水平都具有明顯影響，這就要求深入分析工件切削情況與實際切削速度之間的關(guān)聯(lián)性。本文總共設(shè)置了4種切削速度并對其實際切削情況進行了對比，從而獲得Ni3Al硬質(zhì)度工件的切削效果與切削速度的關(guān)系響。表1給出了切削過程各項工藝參數(shù)。

2.2 參數(shù)影響分析

2.2.1 切削速度對溝痕寬度的影響

對溝痕寬度與切削速度之間的關(guān)系進行分析，得到各個切削速度下的溝痕寬度差改變值Δd，結(jié)果見圖1。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，所有切削速度下都形成了正的溝痕前后寬度差，由此可以推斷切削溝痕的前端具有比后端更大的寬度，表現(xiàn)為“前寬后窄”的變化趨勢。處于250m/s以內(nèi)的切削速率狀態(tài)下，當提高切削速率后，刀具與工件產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致前端的寬度出現(xiàn)了增加的現(xiàn)象，并使后部兩側(cè)工件獲得更快的原子彈性恢復(fù)速率，同時形成更大的后端寬度，由于前端可以獲得比后端更大的寬度增幅，從而顯著提高了溝痕前后的寬度變化值。當速度達到250m/s以上時，隨速度的提高，經(jīng)硬度測試發(fā)現(xiàn)工件發(fā)生應(yīng)變過程引起的硬化程度更顯著，從而獲得更強的抵抗變形的性能，同時降低了溝痕前后區(qū)域的工件原子變形幅度，前后端的寬度都發(fā)生了降低。

2.2.2 切削速度對切削力的影響

為更加深入分析工件切削力與切削速度時間的關(guān)系，測試了不同切削速率對應(yīng)的切削力與摩擦系數(shù)，結(jié)果見圖2。根據(jù)圖2可知，切削力表現(xiàn)為與平均法向和切向力基本一致。隨著切削速率的提高，平均切削力也顯著增大，當切削速率增大后，平均摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先增大后降低的現(xiàn)象。提高切削速度后，切削部位發(fā)生了應(yīng)變硬化的現(xiàn)象，并且當速度提高后還會引起刀具和工件的原子形成強烈作用，導(dǎo)致工件發(fā)生溫度快速升高，由此引起高溫軟化的情況。

3? 結(jié)論

①在刀具的前部與下部形成了更多的工件晶格變形區(qū)，而經(jīng)過加工后的表面形成了更少能夠?qū)崿F(xiàn)保持彈性恢復(fù)的工件原子。

②所有切削速度下都形成了正的溝痕前后寬度差，切削溝痕的前端具有比后端更大的寬度，表現(xiàn)為“前寬后窄”的變化趨勢。隨速度的提高，經(jīng)硬度測試發(fā)現(xiàn)工件發(fā)生應(yīng)變過程引起的硬化程度更顯著，從而獲得更強的抵抗變形的性能。

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