金剛石刀具切削過程中擴散和粘結的仿真研究

□ 葉家往 □ 于愛兵 □ 鄒 翩 □ 齊少春 □ 王家煒 □ 趙家震

寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

1 研究背景

在有色金屬的切削過程中,工件與金剛石刀具之間存在擴散,且工件會粘結在刀具前刀面上,這是導致金剛石刀具磨損的原因之一[1-3]。對此,為了減少刀具磨損,延長刀具壽命,有必要研究切削時金剛石刀具的擴散和粘結過程。楊海軍等[4]使用聚晶金剛石刀具對錫青銅合金材料進行高速干式切削試驗,發(fā)現(xiàn)在高溫的作用下,工件材料和刀具材料之間存在相互擴散。王洪巖[5]通過金剛石刀具切削單晶硅的分子動力學仿真研究,發(fā)現(xiàn)升高切削溫度、增大切削力,會引起金剛石刀具中C-C鍵鍵能下降,促進金剛石刀具發(fā)生擴散。趙清亮等[6]在金剛石刀具切削鋁合金的試驗中發(fā)現(xiàn),當前刀面與切屑接合面的溫度不夠高時,切屑不會與刀具發(fā)生粘結。Zareena等[7]通過金剛石刀具超精密切削鈦合金試驗,發(fā)現(xiàn)在高溫條件下,鈦合金更容易粘附在金剛石刀具表面。綜合以上文獻,切削溫度會影響金剛石刀具的擴散和粘結過程,切削用量和刀具角度則是影響切削溫度的重要因素[8]。因此,有必要分析切削用量和刀具角度對金剛石刀具擴散和粘結的影響。在納米級加工范圍中,由于切削力、切削溫度、原子間相互作用過程與宏觀切削過程有很大區(qū)別,因此導致切削用量和刀具角度對刀具粘結和擴散的影響與宏觀切削相比存在較大差異[9]。對此,有必要從微觀角度研究切削用量和刀具角度對刀具擴散和粘結的影響。

筆者采用分子動力學方法,研究金剛石刀具前刀面和切屑之間的擴散和粘結現(xiàn)象,以金剛石刀具切削單晶銅過程為例,不考慮刀具后角和進給量的影響,重點研究切削深度、切削速度、刀具前角對金剛石刀具擴散和粘結的影響,并提出切削深度、切削速度、刀具前角的選用原則,以減少金剛石刀具的擴散和粘結,達到延長刀具壽命的目的。

2 分子動力學模型

2.1 仿真建模

利用LAMMPS軟件建立單晶金剛石刀具切削單晶銅的分子動力學仿真模型,如圖1所示,刀具和工件均包含牛頓層、恒溫層、固定層三類原子。其中,恒溫層原子的溫度控制在293 K,固定層原子固定在理想晶格位置不變,以減小邊界效應。模型體系單位類型為metal,維度為3,邊界條件均為非周期性包覆邊界條件,初始溫度為293 K,刀具固定層的速度為13 m/s。切削仿真參數(shù)見表1。

▲圖1 單晶金剛石刀具切削單晶銅分子動力學仿真模型

表1 切削仿真參數(shù)

模型中存在三種不同的原子相互作用。第一,工件中銅原子的相互作用,選用Eam勢函數(shù)計算[10]。第二,刀具中金剛石原子的相互作用,選用Tersoff勢函數(shù)計算[11]。第三,銅原子與金剛石原子之間的相互作用,選用Morse勢函數(shù)計算[12]。

2.2 擴散系數(shù)

擴散系數(shù)是描述物質(zhì)擴散程度的物理量,能夠反映原子的擴散速度。擴散系數(shù)越大,原子擴散速度越快。從微觀角度研究晶體內(nèi)的擴散現(xiàn)象,擴散系數(shù)D與原子的均方位移MSD存在如下關系[13]:

(1)

式中:N為仿真體系的維度,取3;t為模擬時間。

利用LAMMPS軟件可以計算得到切削模型中銅原子的均方位移,代入式(1),可以求得銅原子擴散系數(shù)。

2.3 粘結強度因數(shù)

粘結強度因數(shù)是描述刀具材料與工件材料親和能力的物理量,能夠反映粘結在刀具前刀面的工件原子數(shù)量。粘結強度因數(shù)越大,粘結在刀具前刀面的工件原子數(shù)量越多。粘結強度因數(shù)K0計算式為[14]:

K0=F/Rm

(2)

式中:F為粘附力;Rm為刀具抗拉強度。

利用LAMMPS軟件計算得到粘附力,代入式(2),可以求得粘結強度系數(shù)。

3 試驗設計

3.1 單因素試驗

筆者研究的是刀具前刀面與切屑之間的擴散和粘結現(xiàn)象,刀具后角的影響不大,因此不做考慮,重點分析切削深度、切削速度、刀具前角對金剛石刀具擴散和粘結的影響。單因素試驗參數(shù)見表2,其中加下劃線的參數(shù)為固定參數(shù),固定兩個參數(shù)不變,改變第三參數(shù),觀察第三參數(shù)對擴散系數(shù)和粘結強度因數(shù)的影響規(guī)律,從而找到三個因素對銅原子擴散速度和刀具前刀面粘結的影響規(guī)律。單因素試驗參數(shù)參考文獻[15-16]確定,見表2。

表2 單因素試驗參數(shù)

3.2 正交試驗

為了研究切削深度、切削速度、刀具前角對銅原子擴散速度和刀具前刀面粘結的影響程度,以切削深度、切削速度、刀具前角為試驗因素,進行三因素三水平正交試驗。正交試驗因素水平表見表3。

表3 正交試驗因素水平表

4 結果討論

4.1 刀具擴散和粘結過程

在研究刀具的擴散和粘結過程時,選取刀具前角為15°,切削速度為50 m/s,切削深度為1 nm。對工件初始切削區(qū)域的原子進行標記,如圖2所示。標記原子的運動過程如圖3所示,A、B、D所指示的原子均為擴散到刀具內(nèi)部的銅原子?？梢杂^察到,在切削過程中,銅原子擴散到刀具內(nèi)部,并且數(shù)量逐漸增多。這是因為刀具與工件之間的擴散主要為原子形式[17],單晶銅是由金屬鍵形成的晶體,金剛石刀具原子以共價鍵相連,金剛石刀具中的C-C鍵遠強于單晶銅之間的金屬鍵,在切削過程中,單晶銅之間的金屬鍵更容易發(fā)生斷裂,出現(xiàn)游離銅原子,游離銅原子會擴散到刀具內(nèi)部,隨著切削的進行,游離銅原子逐漸增加,切屑底部與刀具前刀面的接觸面積越來越大,游離銅原子能從更廣的區(qū)域擴散到刀具內(nèi)部,導致刀具內(nèi)部的銅原子逐漸增多。隨著切削的進行,大多數(shù)標記原子沿著刀具前刀面向上運動,但仍有部分標記原子粘結在刀具前刀面,并隨刀具向前運動,如C所指示。切削長度為17 nm時,C所指示粘結標記原子與刀具前刀面分離。切屑底部原子和刀具前刀面原子之間的鍵合作用會導致工件原子粘結在刀具前刀面[18]。工件原子發(fā)生粘結之后,切屑與前刀面的摩擦由外摩擦變?yōu)檎辰Y層與上層金屬的內(nèi)摩擦,這種摩擦力隨著粘結原子數(shù)量的增多而增大[19]。刀具前刀面粘結的銅原子數(shù)量隨著切削的進行逐漸增多,切屑與粘結區(qū)域的摩擦力逐漸增大,直到大于粘結區(qū)域原子之間的結合力,粘結區(qū)域的原子鍵發(fā)生斷裂,粘結的標記原子與刀具分離。

▲圖2 原子標記

▲圖3 標記原子運動過程

4.2 單因素試驗

根據(jù)單因素試驗參數(shù)進行仿真試驗,得到不同切削長度下的擴散系數(shù)和粘結強度因數(shù),進行線性擬合,得到擴散系數(shù)和粘結強度因數(shù)關于切削長度的一次函數(shù)。為了方便對比,取切削長度為17 nm時的擴散系數(shù)和粘結強度因數(shù)為試驗指標,單因數(shù)試驗結果如圖4所示。

▲圖4 單因素試驗結果

在選定參數(shù)范圍內(nèi),擴散系數(shù)和粘結強度因數(shù)與切削深度和切削速度為正相關,與刀具前角為負相關。這說明減小切削深度,降低切削速度,增大刀具前角,能夠降低銅原子向金剛石刀具的擴散速度,并減少粘結在刀具前刀面的銅原子數(shù)量。

4.3 正交試驗

正交試驗選擇L9(34)正交表,共進行九組仿真試驗,同樣對得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合,取切削長度為17 nm時的擴散系數(shù)和粘結強度因數(shù)為試驗指標,得到正交試驗結果。

正交試驗結果見表4。

表4 正交試驗結果

采用極差分析法對正交試驗結果進行數(shù)據(jù)分析,擴散因數(shù)和粘結強度因數(shù)的極差分析結果分別見表5、表6。極差分析時,ki為任一列上水平為i時所對應的試驗指標之和,根據(jù)ki的大小,可以判斷各因素的最優(yōu)水平[20]。此處擴散系數(shù)和粘結強度因數(shù)越小越好,因此可以得出二者的最優(yōu)水平均為A1、B1、C3,也就是切削深度1 nm、切削速度50 m/s、刀具前角15°。極差R反映各列因素水平變動時試驗指標的變動幅度,R越大,說明對應因素對試驗指標的影響越大。由表5、表6可以看出,各因素對擴散系數(shù)和粘結強度因數(shù)的影響程度從大到小為切削深度、切削速度、刀具前角,由此說明各因素對銅原子擴散速度和刀具前刀面粘結的影響程度從大到小為切削深度、切削速度、刀具前角。

表5 擴散系數(shù)極差分析結果

表6 粘結強度因數(shù)極差分析結果

4.4 小結

由單因素試驗和正交試驗結果可知,切削速度、切削深度、刀具前角對銅原子擴散速度和刀具前刀面粘結的影響規(guī)律相似。這是因為在切削過程中,刀具的擴散和粘結往往同時發(fā)生,相互影響。粘結是刀具與工件材料接觸到原子間距離時所產(chǎn)生的結合現(xiàn)象[21]。銅原子擴散進入到刀具內(nèi)部,使更多的銅原子與刀具原子間的距離達到粘結所需距離,銅原子更易粘結在刀具表面。銅原子粘結在刀具表面之后,刀具表面變得凹凸不平,摩擦力增大,刀屑接觸區(qū)域溫度上升,有助于銅原子進一步擴散進入刀具內(nèi)部。

從提高生產(chǎn)效率角度考慮,切削深度和切削速度對機床切削效率影響的權重是相同的[8],兩者中任意一個因素增大或提高一倍,機床切削效率都提高一倍。但由上述試驗結果可知,增大切削深度一倍和提高切削速度一倍對銅原子擴散速度和刀具前刀面粘結的影響是不相同的,切削深度的影響比切削速度大。刀具前角對切削效率的影響不大,而增大刀具前角能降低銅原子擴散速度,減少粘結在刀具前刀面的銅原子數(shù)量。綜上所述,從生產(chǎn)效率方面考慮,三個因素的選用原則為,選取盡可能高的切削速度和盡可能大的刀具前角,以及盡可能小的切削深度,這樣可以在保證一定切削效率的同時,使銅原子的擴散速度相對較低,粘結在刀具前刀面的銅原子數(shù)量相對較少,從而獲得較高的零件加工質(zhì)量及較低的刀具磨損。

5 結束語

筆者對金剛石刀具切削單晶銅過程中的擴散和粘結進行仿真研究。減小切削深度,降低切削速度,增大刀具前角,能夠降低銅原子的擴散速度,減少粘結在刀具前刀面的銅原子數(shù)量。在切削過程中,三個因素對銅原子擴散速度和前刀面粘結的影響程度從大到小依次為切削深度、切削速度、刀具前角。

在保證一定切削效率的前提下,選取盡可能高的切削速度和盡可能大的刀具前角,以及盡可能小的切削深度,可以使銅原子的擴散速度相對較低,粘結在刀具前刀面的銅原子數(shù)量相對較少。