溝槽微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具的摩擦仿真分析

解長鵬，劉國東，劉祁文，李子航

中北大學(xué)機械工程學(xué)院；先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點實驗室

1 引言

由于鈦合金難以加工[1]，在切削過程中，刀具-切屑界面處的黏著磨損會導(dǎo)致切削區(qū)域的高壓和高溫[2，3]，造成刀具發(fā)生嚴(yán)重摩擦。傳統(tǒng)摩擦學(xué)認(rèn)為，光滑表面比非光滑表面具有更強的抗摩擦和抗磨損性能[4]。隨著現(xiàn)代摩擦學(xué)與仿生學(xué)的融合以及深入分析后發(fā)現(xiàn)，在摩擦副表面設(shè)計微坑、微槽或凸起等微結(jié)構(gòu)，能夠改良摩擦系數(shù)，促進(jìn)表面減磨抗損性能的提升。國內(nèi)外研究人員通過多種切削工藝對微織構(gòu)與無微織構(gòu)刀具進(jìn)行比較，證實制備微織構(gòu)可以降低刀具的摩擦磨損，獲得更淺的磨損深度[5-7]。

微織構(gòu)的幾何參數(shù)對提升刀具的切削性能至關(guān)重要，因此，本文針對微溝槽微織構(gòu)的幾何參數(shù)，利用ABAQUS有限元軟件模擬了鈦合金和微織構(gòu)化硬質(zhì)合金刀具的摩擦磨損過程，通過改變微織構(gòu)的寬度、深度和間距，探究了幾何參數(shù)對等效應(yīng)力值以及應(yīng)力分布的影響。

2 ABAQUS軟件三維摩擦仿真建模

在刀具的切削過程中存在滑動摩擦，由摩擦載荷及摩擦溫度的升高而產(chǎn)生的應(yīng)力會導(dǎo)致刀具表面磨損，而且應(yīng)力過大或過度集中會使刀具發(fā)生開裂脫落。

為了進(jìn)一步研究分析溝槽微織構(gòu)對硬質(zhì)合金刀具表面摩擦磨損的影響規(guī)律，該仿真通過改變微織構(gòu)的幾何參數(shù)，模擬了硬質(zhì)合金刀具與鈦合金切屑的摩擦過程。在多功能摩擦磨損機上實驗時，上端為試樣a，下端為試樣b，試樣a通過專用夾具固定，試樣b通過機器裝夾固定，由機器帶動在摩擦副表面保持直線往復(fù)運動。所建立仿真模型為:試樣a為1mm×1mm×0.5mm的長方體，施加力F=5N；試樣b為1.2mm×1.2mm×5mm的長方體，其運動速度v=100mm/s，同時在試樣b上加工出溝槽微織構(gòu)，建模結(jié)果見圖1。

2.1 材料屬性

上試樣a為鈦合金，密度ρ=4.428×10-9g/mm3，彈性模量e=1.1×105MPa，泊松比u=0.41。下試樣b為硬質(zhì)合金，密度ρ=1.47×10-8g/mm3，彈性模量e=5.4×105MPa，泊松比u=0.3，比熱容C=470J/(kg·℃)，熱膨脹系數(shù)α=4.5×10-6/℃，傳導(dǎo)率k=75.4W/(m·℃)。鈦合金的比熱容、傳導(dǎo)率和膨脹系數(shù)隨溫度變化的相關(guān)數(shù)據(jù)值見表1。

表1 Ti-6Al-4V的比熱容、導(dǎo)熱率和膨脹系數(shù)[8]

運用約翰遜-庫克材料模型仿真(見表2)，其公式為

(1)

圖1 三維仿真模型

表2 約翰遜-庫克本構(gòu)模型[9]

2.2 設(shè)置分析步

本仿真中，用初始的分析步定義模型的接觸條件，此外還需兩個后續(xù)分析步:step1定義試樣a的縱向載荷；step2定義試樣b的運動速度。在定義載荷和運動速度時，為避免瞬時施加，應(yīng)設(shè)兩個幅值。

2.3 定義邊界條件和劃分網(wǎng)格

在摩擦仿真模擬中定義模型邊界條件：在第一個分析步中，上試樣TC4合金被施加向下的載荷，需限制其在X軸和Z軸方向的位移，即U1=U3=0，并延續(xù)到后面的分析步；下試樣YG8硬質(zhì)合金被完全固定，即U1=U2=U3=0；在第二個分析步中，由于下試樣YG8在Z軸方向運動，Z軸位移不受限制，即U1=U2=0。摩擦過程為干摩擦，定義下試樣上表面為主接觸面，上試樣下表面為從接觸面，摩擦系數(shù)設(shè)為0.41?？紤]到摩擦過程中會產(chǎn)生熱量，需要給模型施加一個初始溫度場，設(shè)初始溫度為20℃。

劃分網(wǎng)格時采用疏密結(jié)合的方法。由于下試樣表面存在微觀微織構(gòu)，表面形貌不規(guī)則，為了不影響計算結(jié)果，網(wǎng)格的劃分需先分割區(qū)域，具有微觀微織構(gòu)的表面網(wǎng)格劃分需較為精細(xì)，而在其他規(guī)則區(qū)域網(wǎng)格尺寸較大(見圖2)。

(a)整體模型網(wǎng)格

(b)微織構(gòu)表面網(wǎng)格

3 摩擦磨損仿真結(jié)果分析

如圖3所示，當(dāng)?shù)毒邿o微織構(gòu)時，在摩擦磨損過程中刀具表面會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力值達(dá)到60.8MPa，應(yīng)力值從中心到邊緣逐漸減小。本仿真分析了不同微織構(gòu)寬度、深度和間距等參數(shù)對刀具在摩擦過程中應(yīng)力分布和變化的影響，從而用刀具表面應(yīng)力分布和最大等效應(yīng)力值判斷微織構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)劣。

圖3 無微織構(gòu)刀具表面應(yīng)力分布

3.1 微織構(gòu)寬度對刀具表面應(yīng)力的影響

微織構(gòu)的寬度對微織構(gòu)刀具表面應(yīng)力的分布具有一定影響。當(dāng)微織構(gòu)寬度較大時，微溝槽微織構(gòu)的寬深比會增大，導(dǎo)致未加工區(qū)域形成凸臺陣列，使刀具表面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。為研究微織構(gòu)寬度參數(shù)對刀具表面應(yīng)力分布的作用，選擇微織構(gòu)深度H=20μm，間距D=100μm，寬度分別為W1=25μm，W2=30μm，W3=35μm，W4=40μm，W5=45μm，不同微織構(gòu)寬度試樣接觸表面應(yīng)力分布見圖4。

當(dāng)微織構(gòu)深度和間距為定值時，通過分析不同微織構(gòu)寬度的硬質(zhì)合金刀具表面應(yīng)力分布情況可知:刀具表面的最大等效應(yīng)力值隨微織構(gòu)寬度的增大而逐漸增大。如圖4所示，當(dāng)微織構(gòu)寬度W1=25μm時，刀具表面的最大等效應(yīng)力值小于其他寬度表面，且位于試樣a與試樣b摩擦區(qū)域的中部；當(dāng)微織構(gòu)寬度W3=35μm時，刀具表面的最大等效應(yīng)力值約為133.9MPa～146MPa；當(dāng)微織構(gòu)寬度增大到W5=45μm時，刀具表面等效應(yīng)力值隨微織構(gòu)寬度的增大而增大，并且伴隨多處應(yīng)力集中分布現(xiàn)象。

(a)W1=25μm

(b)W2=30μm

(c)W3=35μm

(d)W4=40μm

(e)W5=45μm

以刀具表面應(yīng)力分布情況來看，當(dāng)微織構(gòu)的深度和間距一定時，隨著微織構(gòu)寬度的增大，試樣a與試樣b接觸區(qū)的微織構(gòu)數(shù)量減少，微織構(gòu)的寬深比增大，使得刀具表面未加工區(qū)域形成凸起結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最大等效應(yīng)力值變大，同時出現(xiàn)應(yīng)力分布不均現(xiàn)象。這種多處應(yīng)力集中情況對刀具表面的減摩作用有著負(fù)面影響。

3.2 微織構(gòu)深度對刀具表面應(yīng)力的影響

微織構(gòu)的深度是影響微織構(gòu)化刀具性能的重要因素，微織構(gòu)深度過大會降低刀具的力學(xué)性能，因此有必要研究微織構(gòu)深度變化時刀具表面的應(yīng)力分布狀態(tài)。為了研究微織構(gòu)深度對刀具表面應(yīng)力分布的影響，選擇微織構(gòu)寬度W=30μm，間距D=100μm，深度分別為H1=20μm，H2=30μm，H3=40μm，H4=50μm，H5=60μm。不同微織構(gòu)深度試樣接觸表面應(yīng)力分布見圖5。

當(dāng)微織構(gòu)寬度和間距為定值時，通過分析不同微織構(gòu)深度的硬質(zhì)合金刀具表面應(yīng)力分布情況可知:刀具表面微織構(gòu)深度的增加導(dǎo)致表面最大等效應(yīng)力值的增大。

(a)H1=20μm

(b)H2=30μm

(c)H3=40μm

(d)H4=50μm

(e)H5=60μm

如圖5所示，在微織構(gòu)深度H1=20μm時最大等效應(yīng)力值最?。浑S著微織構(gòu)深度從H2=30μm增加到H3=40μm，刀具表面最大等效應(yīng)力值從140.6MPa增大到203.6MPa；且當(dāng)微織構(gòu)深度H3=40μm時，刀具表面應(yīng)力集中出現(xiàn)在試樣a和試樣b摩擦區(qū)域的前沿，刀具表面應(yīng)力分布從刀具與對摩副的接觸前沿平滑過渡；當(dāng)微織構(gòu)深度H4=50μm時，由于微織構(gòu)深度的增大，試樣a與試樣b接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力值達(dá)到302.6MPa，并出現(xiàn)多個連續(xù)的應(yīng)力集中區(qū)，表明微織構(gòu)深度的增加會擴(kuò)大等效應(yīng)力的影響范圍；當(dāng)微織構(gòu)深度H5=60μm時，刀具表面的最大等效應(yīng)力有所降低，但仍大于微織構(gòu)深度H1=20μm時的最大等效應(yīng)力值，約為110MPa～120MPa。

從應(yīng)力云圖的分布情況來看，刀具表面應(yīng)力值逐漸增大，并且在微織構(gòu)深度H4=50μm時出現(xiàn)應(yīng)力集中帶，這些應(yīng)力集中區(qū)域會降低刀具的強度，給刀具的減摩作用帶來不利的影響。

3.3 微織構(gòu)間距對刀具表面應(yīng)力的影響

微織構(gòu)間距對刀具表面應(yīng)力分布的影響主要通過改變摩擦區(qū)域內(nèi)的微織構(gòu)數(shù)量，從而對刀具的摩擦性能產(chǎn)生影響。為了分析微織構(gòu)間距對刀具表面應(yīng)力分布的影響，選用微織構(gòu)寬度W=30μm，微織構(gòu)深度H=20μm，微織構(gòu)間距分別為D1=50μm，D2=75μm，D3=100μm，D4=150μm，D5=200μm的微溝槽微織構(gòu)進(jìn)行仿真。不同微織構(gòu)間距試樣接觸表面應(yīng)力分布見圖6。

(a)D1=50μm

(b)D2=75μm

(c)D3=100μm

(d)D4=150μm

(e)D5=200μm

當(dāng)微織構(gòu)寬度和深度為定值時，通過分析不同微織構(gòu)間距的硬質(zhì)合金刀具表面應(yīng)力分布情況可知:由于微織構(gòu)間距增大，刀具表面等效應(yīng)力值減小。如圖6所示，當(dāng)微織構(gòu)間距D1=50μm時，由于存在微織構(gòu)且數(shù)目較多，試樣a與試樣b間的接觸面積減小，此時最大等效應(yīng)力值為113.3MPa，較無微織構(gòu)刀具表面明顯增大；當(dāng)微織構(gòu)間距D2=75μm時，刀具表面的應(yīng)力影響區(qū)域較微織構(gòu)間距D1=50μm時有增加，在試樣a與試樣b接觸區(qū)域兩端出現(xiàn)多處應(yīng)力集中區(qū)域，最大等效應(yīng)力值達(dá)到128.1MPa；當(dāng)微織構(gòu)間距D3=100μm時，應(yīng)力集中分布出現(xiàn)在試樣a與試樣b接觸區(qū)域的溝槽微織構(gòu)的兩端，相較微織構(gòu)間距50μm和75μm時，最大等效應(yīng)力值減小，刀具表面其他位置應(yīng)力平均分布；當(dāng)微織構(gòu)間距增加到D4=150μm時，最大等效應(yīng)力值進(jìn)一步減小為71.8MPa；而當(dāng)微織構(gòu)間距D5=200μm時，由于微織構(gòu)間距增大，刀具表面微織構(gòu)數(shù)目減少，試樣表面出現(xiàn)較大的光滑區(qū)域，與無微織構(gòu)刀具表面的等效應(yīng)力值相比，此時差別很小，但表面應(yīng)力分布梯度較大。

4 結(jié)語

運用ABAQUS有限元仿真軟件，通過改變微織構(gòu)的幾何參數(shù)，系統(tǒng)地模擬了硬質(zhì)合金刀具和鈦合金的摩擦過程，并分析了刀具表面的應(yīng)力分布情況，從而為微織構(gòu)化刀具的摩擦磨損實驗研究提供一定幫助。

(1)較無微織構(gòu)刀具而言，制備出微織構(gòu)會增大刀具表面的最大等效應(yīng)力，并改善應(yīng)力集中分布現(xiàn)象。

(2)硬質(zhì)合金刀具表面的等效應(yīng)力值隨微織構(gòu)寬度的增加而增大。當(dāng)微織構(gòu)寬度變大時，微織構(gòu)寬深比變大，刀具表面未加工區(qū)域呈現(xiàn)凸臺陣列，使應(yīng)力傳遞不均勻。當(dāng)微織構(gòu)寬度增大到45μm時，刀具表面出現(xiàn)多處應(yīng)力集中現(xiàn)象，對刀具的耐磨性產(chǎn)生不利影響。

(3)硬質(zhì)合金刀具表面的等效應(yīng)力值隨微織構(gòu)深度的增加而增大。根據(jù)云圖的等效應(yīng)力值，增大微織構(gòu)深度對刀具表面等效應(yīng)力的影響較大，使刀具表面出現(xiàn)多個連續(xù)的應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力梯度隨之增大。應(yīng)力過大會影響微織構(gòu)對刀具的減摩作用，并且降低刀具力學(xué)性能。

(4)隨著微織構(gòu)間距的增加，硬質(zhì)合金刀具表面的等效應(yīng)力值減小。這是由于刀具表面的微織構(gòu)數(shù)量隨著間距的增加而減少，導(dǎo)致刀具表面出現(xiàn)大面積的光滑區(qū)域。當(dāng)間距增加到200μm時，微織構(gòu)的存在不足以改善刀具表面的摩擦性能，此時等效應(yīng)力值與無微織構(gòu)刀具表面的等效應(yīng)力值相差不大。