工程陶瓷在金刚石工具取孔加工中出口崩边的有限元分析①

王秀奇,张凤林*,陈 梦,曹 根,周玉梅,2

(1.广东工业大学 机电工程学院,广州510006；2.仲恺农业工程学院 机电工程学院,广州510225)

1 引言

工程陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐热、抗腐蚀、抗氧化、防核辐射等优异的性能,使之广泛应用于机械、电子、航空航天、能源、军事等领域。但是由于其硬脆特性,导致其加工比多数金属材料困难得多,因此需要优质高效经济实用的的陶瓷加工新工艺新技术[1]。陶瓷的孔加工常使用金刚石工具[2,3],但由于金刚石套料钻自身以及加工过程中的转动、进给等加工条件的影响,使得孔的加工质量不好控制,尤其是入口崩边情况、孔壁质量、出口崩边情况。为了改善陶瓷孔加工过程中孔表面加工质量问题,防止出现崩边和微裂纹,田欣利[4]等人研究了基于单颗粒金刚石磨削陶瓷材料的有限元仿真。

近年来,众多学者使用有限元进行脆性材料损伤的研究。K.Ueda等人使用静力学加载与断裂力学的分析方法研究了几种陶瓷材料发生脆性转变的临界切削深度[5],分析结果与实验值基本上吻合。T.Shirakashi等人[6]对脆性材料损伤进行了相应的有限元仿真,发现切削深度低于临界深度时,脆性材料加工方式可以转化为塑性去除方式。最近A.G.Mamalis等人[7]使用商用有限元软件Marc的自动网格重划分功能对陶瓷等脆性材料进行了相应的仿真研究,结果更接近实验结果,这种方法取消了材料损伤中预设的分离线,更加符合实验的结果。

现在,研究人员越来越多的利用大型商用有限元软件研究脆性材料的断裂损伤过程,优化了各种加工工艺参数,本文主要是通过相应的有限元分析软件分析陶瓷材料边缘破碎的原因,并提出相应的解决措施。

2 加工原理

金刚石套料钻由于其岀刃高、容屑空间大,不易堵塞,已广泛应用于工程陶瓷的孔加工过程中。如图1所示,在加工过程中,金刚石套料钻主要通过端面金刚石磨削陶瓷材料来达到材料去除的目的,由于金刚石在温度过高时会出现碳化现象,因此,在加工时要在钻头上部通冷却液,冷却液进入端部弧区带走去除材料,减小了套料钻、切屑及工件间的摩擦,使得金刚石套料钻有更长的寿命。通过多次试验分析可以得出,在套料钻加工陶瓷材料的过程中,陶瓷的边缘会出现整体的断裂,为了得到更好的出口质量,我们一般通过施加预应力来干涉陶瓷钻出过程中的受力状态,以获得更好的出口质量。

图1 金刚石套料钻加工示意图Fig.1 Schematic illustration of diamond core drill machining

3 有限元模型

本文运用abaqus商用有限元软件,对工程陶瓷的孔加工过程进行有限元仿真。采用脆性材料有限元本构分析模型,通过数值模拟研究,结合陶瓷磨削断裂机理,分析在钻头钻出过程中陶瓷材料的应力分布情况,以及在钻出边缘材料应力状态。结合此实验的实验数据以及加工完成后陶瓷的外观形貌,来分析陶瓷孔加工过程中的边缘损伤破损情况,以及采取的相应的避免措施。

3.1 材料模型

陶瓷加工过程中材料以脆性断裂和塑性变形两种方式去除,其能量主要消耗于金刚石与工件间的滑擦、耕犁。氧化铝陶瓷材料是以脆性断裂去除为主,消耗于滑擦、耕犁的能量少,故其切割比能较小。

从图2中可以看到在初始损伤出现以前陶瓷材料的本构曲线符合胡克定律,当达到陶瓷材料的初始损伤应力以后,陶瓷材料由于是脆性材料会出现近似线性的损伤累积,随着损伤的累积,陶瓷材料最终会脱离工件表面[8]。

图2 陶瓷材料损伤本构模型Fig.2 Constitutive model of ceramic material damage

3.2 有限元模型及其边界条件(图3)

工件材料采用氧化铝工程陶瓷材料,根据对称性原理将三维加工图形转化为相应的二维图形进行分析,工件尺寸25mm×8mm,中间尺寸2.5mm×7.0mm。

图3 有限元模型及边界条件施加Fig.3 Finite element model and boundary condition

3.3 材料参数(表1)

陶瓷材料属于脆性材料,根据强度理论,我们采用最大主应力来作为陶瓷材料的初始损伤准则,损伤演化我们选择线性损伤准则。

表1 断裂分析模型有限元分析方案Table 1 Finite element analysis scheme of fracture model

3.4 断裂过程仿真分析

工程陶瓷加工过程是一个高度非线性的问题,涉及材料的损伤,当金刚石套料钻钻出过程中,由于陶瓷材料底面受拉应力作用,陶瓷材料抗拉强度比抗压强度低大约一个数量级,所以会出现非正常的材料整体脱落。以下仿真结果图(图4)主要是解释陶瓷断裂过程中应力分布情况,使用了xfem有限元分析方法,里面定义了一个时间步。在这一个步长里陶瓷材料逐渐断裂,是由于软件在处理非线性问题时,用到牛顿迭代方法。我们首先规定一个初始分析步,如果在这个步长内结果收敛,则进行下一次迭代,如果不收敛,步长自动减到原步长的0.5倍,以此类推。由于开始涉及到损伤,收敛较困难,所以时间步才会非常小,到了材料完全断裂以后,如果在该分析步长下,迭代5次之内都收敛,则分析步长会增大1倍,所以完全断裂之后,时间会有那么大的间隔。图中的彩色云图说明了这个材料整体的应力分布情况。左上角的颜色梯度有对应的数值大小。

如图4所示,裂纹起始扩展阶段,随着套料钻钻头的进一步运动,陶瓷材料底部所承受应力会逐渐累积,当达到陶瓷材料的损伤初始应力时,材料会发生一个微观的损伤,随后损伤逐渐累积,当达到材料的断裂极限时即图中红色部分,陶瓷材料会发生宏观的裂纹。当出现宏观裂纹以后,材料内部的应力会释放出来,驱动裂纹会进一步扩展,此外,随着套料钻的进给运动,裂纹继续增长。从图中可以看到金刚石工具在钻出过程中,由于底面受力状态的变化,底部材料会首先出现微裂纹,随着套料钻的进给,裂纹继续扩展,直到完全断裂。从中我们可以看出,材料的去除不再是金刚石磨粒的磨削作用导致的材料脱落,而会出现整体的脆性断裂。为了防止此现象的发生,可以通过在底面增加垫板或者通过施加预应力来改善陶瓷材料的受力状态,从而改善陶瓷孔边缘的加工质量。

从陶瓷钻孔加工外形轮廓可以看出(图5),陶瓷材料的底部会出现整体的崩边行为[9],通过实验研究以及有限元仿真分析,基本可以找到发生此种现象的原因。陶瓷材料属于脆性材料,并且其抗压强度比抗拉强度大约大一个数量级,在金刚石套料钻钻出过程中,陶瓷底部由于没有支撑,使得底部陶瓷材料受力状态由当初的受压变成受拉,所以陶瓷材料边缘出现崩边,从图6可以看出,基本上与仿真结果类似。

陶瓷属于脆性材料,我们主要观察它的最大主应力变化过程,先是陶瓷材料内部应力逐渐累积,当达到一个极限时,此时材料会出现损伤,导致承载面减少,出现一个迅速的应力释放,这部分的能量一部分转化为材料断裂后的表面能,一部分用于驱动裂纹继续增长,直到完全断裂。

图4 金刚石工具取孔加工氧化铝陶瓷板的一个截面的有限元仿真Fig.4 Finite element simulation of one cross section for alumina ceramic plate machined by diamond core drill

图5 氧化铝陶瓷钻出孔及去除材料部分Fig.5 The photo of processed alumina ceramic workpiece

图6材料断裂过程中单元主应力Fig.6 Unit principal stress of the fracture process of materials

4 结论

通过与有限元软件相结合,我们观察到了陶瓷材料断裂的动态过程,分析得出陶瓷材料底面破碎的原因是由于受力状态的变化,从而为我们解决相应的问题提供了各种可行的方法,现在我们一般通过在材料上施加预应力,在底面加垫板来改善陶瓷的受力状态,这样会大大改善陶瓷边缘破损,使加工质量达到我们的要求。

参考文献：

[1] 张清纯.陶瓷材料的力学性能[M].科学出版社,1987：150-151.

[2] 郭长文,张凤林,等.钎焊金刚石取孔钻加工实验研究[J].超硬材料工程.2009(4)：10-13.

[3] 刘成功.浅谈工程陶瓷材料加工[J].科技创新导报,2009(7)：35-50.

[4] 田欣利,等.运用LS-DYNA的轴向缓进给磨削工程陶瓷的有限元仿真[J],现代制造工程,2012(4)：10-13.

[5] K.Ueda,T.Sugita.Applications of fracture mechanism in micro-cutting of engineering ceramics[J].Annals of the CIRP,1983,32(1)：83-86.

[6] T.Shirakashi,T.Obikawa.Feasibility of Gentle Mode Machining of Brittle Materials and its Condition[J].Journal of Materials Processing Technology.2003,138：522-526.

[7] A.G.Mamalis,A.S.Branis.Modeling of Precision Hard Cutting Using Implicit Finite Element Methods[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,123(3)：464-475.

[8] 龚江宏,陶瓷材料断裂力学[M].北京：清华大学出版社,2001：99-101.

[9] 郭方全.碳化硅陶瓷球的磨削机理研究[D].机械科学研究院硕士学位论文,2006.