基于SPH法微切削單晶鍺動態(tài)過程模擬研究

楊曉京，楊紅秀

(昆明理工大學 機電工程學院,云南 昆明 650500)

單晶鍺屬于脆性材料，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，含有(111)、(110)、(100)共3個晶面。其中，每個晶面都存在著晶向各向異性的特點。在加工時，因其(111)晶面的加工與使用性能優(yōu)于其他兩個晶面，所以常將(111)晶面應用于制造熱像儀、夜視儀系統(tǒng)中的窗口、透鏡等關(guān)鍵器件[1～5]。目前，單晶鍺的加工方法主要為單點金剛石車削、飛切、磨削和拋光。飛切加工可有效避免晶向各向異性對加工表面質(zhì)量的影響，得到光滑的加工表面[6～8]。因此，本文采用了一種新興的無網(wǎng)格仿方法，即光滑粒子流體動力學(Smoothing Particle Hydrodynamics，SPH)[9]來對飛切加工過程進行模擬。該方法不僅克服了有限元法難以處理的切削區(qū)域大變形及切屑分離等問題，還不受加工尺度和計算時間的限制，可較好地模擬脆性材料的切屑分離過程[10]。文獻[11～13]利用SPH法針對脆性材料進行了數(shù)值模擬。但是目前，關(guān)于SPH方法對單晶鍺去除機理的研究較少。因此，本文基于動態(tài)分析軟件LS-DYNA及后處理軟件LS-PREPOST，用 SPH方法對單晶鍺飛切過程進行模擬，研究單晶鍺塑性去除時，切削深度、切削速度與切削力和切屑形成的關(guān)系，為單晶鍺塑性域材料去除提供一定參考。

1 仿真模型的建立

1.1 SPH數(shù)值建模

本文采用SPH數(shù)值建模，將單晶鍺飛切區(qū)域設計成40 μm×30 μm×5 μm并用SPH 粒子填充。單晶鍺(111)晶面微切削仿真圖如圖1所示，刀具切削參數(shù)詳見表1。

圖1 單晶鍺(111)晶面微切削仿真Figure 1. Simulation of micro-cutting on single crystal germanium (111)

表1 刀具切削參數(shù)Table 1. Tool cutting parameters

1.2 材料建模

材料模型及參數(shù)在數(shù)值仿真中起著很關(guān)鍵的作用。本文所使用的刀具材料為單點金剛石。由于本文不研究刀具的受力及變形，因此將刀具看作剛體。以單晶鍺(111)晶面作為切削仿真對象，并選用J-C本構(gòu)模型，其具體形式見文獻[14]。仿真中所需材料參數(shù)如表2和表3[15]所示。

表2 單晶鍺(111)晶面物理參數(shù)Table 2. Physical parameters of single crystal germanium (111)

表3 J-C本構(gòu)參數(shù)Table 3. J-C constitutive parameters

1.3 定義接觸及邊界條件

本文將刀具幾何表面作為主接觸面，工件整體SPH節(jié)點域為從面，接觸類型為罰摩擦，摩擦系數(shù)為0.2[16]，采用AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE自動點面接觸的接觸方式。在設置工件的邊界條件時，針對SPH模型，在軟件LS-PREPOST中選用了專用邊界SPC(對稱平面約束)，固定工件底面、兩側(cè)面，對刀具施加沿z軸正方向的切削速度，限制其余所有自由度以防止其在切削過程中發(fā)生偏移。

2 計算結(jié)果與討論

將切削力分為3個分力：(1)與z軸平行的切向力；(2)與y軸平行的法向力；(3)與x軸平行的軸向力。在該仿真模型中，軸向力較小，因此本文中忽略軸向力，僅考慮切向力及法向力所受影響。

2.1 切削深度對切削力的影響

為了研究單晶鍺在加工過程中切削力受切削深度的影響，本文選取的切削速度為4 μm·μs-1，切削深度分別為0.5 μm、1 μm、2 μm和5 μm，其關(guān)系變化曲線如圖2所示。

圖2(a)為切向力變化曲線，圖2(b)為法向力變化曲線。由圖2可知，工件所受的切向力及法向力都出現(xiàn)逐漸增大，隨后略微減小，最后平穩(wěn)波動的趨勢。當切削深度為0.5 μm時，切向力和法向力的穩(wěn)定波動值分別為0.01 mN和0.02 mN。當切削深度為1 μm時，切向力和法向力的穩(wěn)定波動值都為0.04 mN。當切削深度為2 μm時，切向力和法向力的穩(wěn)定波動值分別為0.08 mN和0.06 mN。當切削深度為5 μm時，切向力和法向力的穩(wěn)定波動值分別為0.24 mN和0.11 mN。

(a)

(a)

當切削深度為0.5 μm、1 μm、2 μm時，切削深度小于刀尖圓弧半徑，工件表面主要受刀尖的圓弧半徑對其正壓力的作用，故而切向力與法向力在切削過程中相差不大。當切削深度增加到5 μm時，在切削過程中切向力主要受前刀面的影響，法向力主要受后刀面的影響，前刀面對工件的影響效果比后刀面大，因此切向力的穩(wěn)定波動值大于法向力穩(wěn)定波動值。

2.2 切削速度對切削力的影響

為了研究切削速度對單晶鍺工件表面切削力的影響，取切削深度為1 μm，切削速度分別為2 μm·μs-1、4 μm·μs-1、6 μm·μs-1、8 μm·μs-1，其關(guān)系變化曲線如圖3所示。

圖3(a)為切向力變化曲線，圖3(b)為法向力變化曲線。由圖3可知切削速度為2 μm·μs-1時，切向力及法向力的穩(wěn)定波動值都為0.02 mN，且波動幅度較小。切削速度為4 μm·μs-1時，切向力及法向力的穩(wěn)定波動值都為0.03 mN，波動幅度較小。切削速度為6 μm·μs-1時，切向力及法向力的穩(wěn)定波動值分別為0.04 mN和0.05 mN，波動幅度較小。切削速度為8 μm·μs-1時，切向力及法向力的穩(wěn)定波動值分別為0.05 mN和0.06 mN，波動幅度較大。以上結(jié)果表明，切削速度對切向力及法向力數(shù)值的影響不大，但切削速度越大，切向力及法向力的波動幅度越大，切削越不平穩(wěn)。

(a)

2.3 切削深度對切屑形成的影響

切屑的形成受多種因素的影響。為了研究單晶鍺形成切屑受切削深度的影響，本文在4 μm·μs-1切削速度下，改變刀具的切削深度來進行分析。如圖4所示為1.5 μs時刻的仿真結(jié)果放大圖。

如圖4(a)所示，當切削深度為0.5 μm時，工件材料只有滑擦，沒有切屑產(chǎn)生。如圖4(b)所示，當切削深度為1 μm時，滑擦作用增強，進入犁耕階段刀具兩側(cè)隆起會產(chǎn)生毛刺，且表面出現(xiàn)微小切屑。圖4(c)表明，當切削深度為2 μm時，切屑的產(chǎn)生更加明顯。在設定的切削參數(shù)下，單晶鍺(111)晶面產(chǎn)生切屑的臨界切削深度在0.5～1 μm范圍內(nèi)。如圖4(d)所示，在塑性去除下，切削深度越深，越容易形成帶狀切屑，兩側(cè)隆起及產(chǎn)生毛刺也越嚴重。

(a)

2.4 切削速度對切屑形成的影響

為了研究單晶鍺形成切屑受切削速度的影響，在切削深度為1 μm情況下，通過改變刀具的切削速度來進行分析。如圖5所示為1.5 μs時刻的仿真結(jié)果放大圖。

當切削速度為2 μm·μs-1時，單晶鍺(111)晶面只受滑擦，沒有切屑產(chǎn)生。當切削速度為4 μm·μs-1時，滑擦作用增強，進入犁耕階段刀具兩側(cè)隆起會產(chǎn)生毛刺，并伴有微小切屑出現(xiàn)。當切削速度為6 μm·μs-1時，可以明顯觀察到切屑的出現(xiàn)，說明在設定的切削參數(shù)下，單晶鍺(111)晶面產(chǎn)生切屑的臨界切削速度在2～4 μm·μs-1之間。在塑性去除下，切削深度越深，越容易形成帶狀切屑，兩側(cè)隆起及產(chǎn)生毛刺也越嚴重。

3 結(jié)束語

由于實驗條件和研究成本限制，本文未進行試驗驗證，但現(xiàn)階段已有研究人員對單晶鍺進行了一系列微切削試驗，文獻[17～18]可得到相似變化規(guī)律，因此可以間接驗證SPH法仿真的可行性。將SPH方法應用于模擬單晶鍺(111)晶面微切削飛切過程，得出以下結(jié)論：(1)用SPH無網(wǎng)格法建立了單晶鍺(111)晶面三維切削模型，模擬微切削單晶鍺形成切屑的過程，規(guī)避了有限元法難以處理的切削區(qū)域大變形、切屑分離等問題；(2)在切削速度為4 μm·μs-1，切削深度為0.5 μm、1 μm、2 μm、5 μm情況下，切向力及法向力都出現(xiàn)逐漸增大隨后略微減最后趨于平穩(wěn)波動的趨勢，且切削深度越大，切削力穩(wěn)定波動值越大；(3)在切削深度為1 μm時，單晶鍺切削速度選取2 μm·μs-1、4 μm·μs-1、6 μm·μs-1、8 μm·μs-1時，切削速度對切向力及法向力值的影響不大，且切削速度越大，切向力及法向力的波動幅度越大，切削越不平穩(wěn)；(4)在切削速度為4 μm·μs-1，切削深度為0.5 μm、1 μm、2 μm、5 μm情況下，單晶鍺(111)晶面切屑形成的臨界深度為0.5～1 μm之間。在切削深度為1 μm時，單晶鍺切削速度為2 μm·μs-1、4 μm·μs-1、6 μm·μs-1、8 μm·μs-1時，切屑形成的臨界速度為2～4 μm·μs-1之間；(5)在單晶鍺微切削仿真分析中，可以繼續(xù)研究單晶鍺微切削脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度以及切削溫度對加工表面質(zhì)量的影響。