CN104346498A - 涂层刀具切削过程涂层裂纹扩展及破坏的离散元分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涂层刀具切削过程涂层裂纹扩展及破坏的离散元分析方法，分析步骤如下：1)建立涂层刀具和切屑的离散元模型；2)选择适合的接触模型，通过力学性能试验来校准离散元模型的微观参数；3)进行涂层刀具和切削加工过程的模拟；4)观察和记录涂层刀具的涂层裂纹扩展和破坏情况。本发明具有如下的技术效果，1.本发明利用周期边界的方法模拟了涂层刀具与切屑之间的长距离运动。将连续不断的长切屑模型简化成与涂层刀具接触的一小段切屑的周期性流动模型。极大地减少了切屑模型的单元数量，也就极大地减少了计算量和计算时间。2.本发明实现了涂层刀具在切削加工过程中涂层裂纹扩展和破坏的可视化，为涂层刀具切削加工过程捕捉的几个时间点的模型状态，能直观的观察加工过程中涂层裂纹扩展和破坏的情况。

Description

涂层刀具切削过程涂层裂纹扩展及破坏的离散元分析方法

技术领域

本发明涉及涂层刀具切削加工技术。

背景技术

硬质合金涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，具有优良的切削性能，广泛应用于高温合金、钛合金等难加工材料的机械加工，尤其在高速切削、干式切削等领域发挥不可替代的作用。

但切削过程中(尤其是断续切削时)涂层部位常常出现微裂纹，在热-力的耦合作用下逐渐形成宏观裂纹，引起涂层的局部磨损甚至剥落等现象，进而影响其切削性能以及加工效率。试验过程中，裂纹的扩展及涂层的破损往往难以捕捉。因此，采用数值模拟方法来研究涂层刀具切削加工的破坏情况，相对实验的方法而言，能更真实的反映加工过程中涂层裂纹扩展和破坏的情况，更具有直观性，也能节省大量的人力、物力和财力。

本发明专利提供一种分析切削加工过程的新方法——基于离散元法的涂层刀具切削加工过程分析方法。从已掌握的文献来看，采用离散元法从观察裂纹扩展、涂层破坏的角度对涂层刀具切削加工过程进行仿真尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种涂层刀具切削加工过程的离散元分析方法。此方法可以模拟涂层刀具切削加工过程并观察、记录涂层刀具切削加工过程中涂层破坏和裂纹扩展的情况。

本发明的技术方案是，一种涂层刀具切削过程涂层裂纹扩展及破坏的离散元分析方法，分析步骤如下：

1)建立涂层刀具和切屑的离散元模型；

2)选择适合的接触模型，通过力学性能试验来校准离散元模型的微观参数；

3)进行涂层刀具和切削加工过程的模拟；

4)观察和记录涂层刀具的涂层裂纹扩展和破坏情况。

先校准刀具基体材料的力学性能，然后设置涂层排列方式、层数的微观结构，在涂层与基体的结合界面使用位移软化接触模型进行模拟。

进行涂层刀具切削加工过程的模拟时，采用周期边界的方法模拟刀具与切屑之间的长距离运动。

本发明具有如下的技术效果，1.本发明利用周期边界的方法模拟了涂层刀具与切屑之间的长距离运动。将连续不断的长切屑模型简化成与涂层刀具接触的一小段切屑的周期性流动模型。极大地减少了切屑模型的单元数量，也就极大地减少了计算量和计算时间。2.本发明实现了涂层刀具在切削加工过程中涂层裂纹扩展和破坏的可视化，为涂层刀具切削加工过程捕捉的几个时间点的模型状态，能直观的观察加工过程中涂层裂纹扩展和破坏的情况。

附图说明

图1为本发明涂层刀具切削过程离散元分析方法的流程示意图。

图2为本发明单轴压缩力学模型。

图3为本发明三点弯曲力学模型。

图4为本发明单边切口梁力学模型。

图5为本发明为位移软化接触模型的结构。

图6为本发明周期边界演示图。

图7为本发明涂层刀具切削的离散元模型。

图8为本发明涂层刀具切削过程离散元模拟初始状态。

图9为本发明涂层刀具切削过程离散元模拟40s状态。

图10为本发明涂层刀具切削过程离散元模拟60s状态。

图11为本发明涂层刀具切削过程离散元模拟80s状态。

图12为本发明涂层刀具切削过程离散元模拟100s状态。

图13为本发明涂层刀具切削过程离散元模拟120s状态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种涂层刀具切削过程涂层裂纹扩展及破坏的离散元分析方法，包括：1涂层刀具与和切屑离散元模型的建立；2涂层刀具和切屑微观参数的设定；3涂层刀具切削加工过程离散元模型的建立；4应用所建立的离散元模型模拟观察刀具涂层切削加工过程中涂层的裂纹扩展和破坏情况。

本发明的离散元分析方法如图1所示。

1.涂层刀具和切屑离散元模型的建立；

利用PFC2D软件生成离散元模型时，通常包含以下三个步骤：

1)在指定区域内，通过给定孔隙率、颗粒属性以及相关的力学参数，生成相应数目和力学性能的颗粒；

2)适当扩大颗粒半径，使集合内颗粒间平均应力达到指定应力；

3)调整接触数少于3的浮动颗粒半径，从而得到颗粒紧密排列的结构；

2.涂层刀具和切屑微观参数的设置

1)涂层刀具的涂层和基体材料、切屑材料均为连续介质材料，均采用BPM模型建模。通过之前叙述的方法建立模型后，在颗粒间生成平行键，并对其参数进行设定，再通过删除墙体使模型处于松弛状态，从而得到对应材料的BPM模型。

虽然离散元模型的微观参数(如颗粒刚度、连接键强度等)无法通过实验测试得到，同时也缺乏相关的理论基础，但微观参数的设置正确与否直接影响到离散元模拟的效果。为使得所建立的离散元模型具有与实际材料匹配的力学性能，需采用相应的力学模型对离散元模型的微观参数进行调校。当模拟结果值与实际材料力学测试值匹配时，认为此时模型中的微观参数设置比较合理，可以进行下一步的模拟工作。如图2所示，单轴压缩力学模型可以获得材料的弹性模量、泊松比和单轴压缩强度；如图3所示，三点弯曲力学模型可以获得材料的弯曲强度；如图4所示，单边切口梁力学模型可以获得材料的断裂韧性。

2)对于涂层刀具涂层与基体的结合界面采用位移软化的接触模型。

PFC软件中提供了一些非传统的接触模型，有简易粘弹性模型、简易韧化模型、位移软化模型等，并且还可以针对用户的需要，自行编写模型。位移软化接触模型是一种弹性接触连接，该模型在加载和卸载部分都成线性变化，如图5所示。

考虑在拉伸情况下，接触强度F_max是由法向强度和切向强度求和得来，假设接触强度是以一定角度α成线性变化，就得到接触强度F_max为：

$F_{\max }=(1-\frac{2\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}})\·F_c^n+\frac{2\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}}\·F_c^s$

当合接触力大于接触强度(F＞F_max)时，接触开始变形，在每个时步里，计算塑性位移增量ΔU_p为：

$\mathrm{\Δ}{U}_p=\sqrt{{\left(\mathrm{\Δ}{U}_p^n\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δ}{U}_p^s\right)}^2}$

式中：和分别表示法向和切向的塑性位移增量。对于累积塑性位移，则有：

U_p＝∑|ΔU_p|

当累积塑性位移大于最大位移(U_p＞U_pmax)时，接触才断裂。

在PFC2D软件中位移软化接触模型与界面元双线性本构关系很相似，均属于双线性结构。因此采用此接触模型来表征界面力学性能较为合适。

3.涂层刀具切削加工过程离散元模型的建立

1)周期边界

在PFC中，为了减少程序的计算量和计算时间，可以对比较大的模型进行简化处理。对于涂层刀具与切屑的切削过程，是一个比较漫长的过程。刀具进入稳态切削后，刀具前刀面与切屑的接触长度基本上是不变的。因此，在建立切屑的离散元模型时，可以将连续不断的长切屑模型简化成与前刀面接触的一小段切屑的周期性流动模型。当切屑的部分单元脱离接触区时，将这部分单元初始化为新产生的切屑，并移动到接触区的起始位置重新进入接触区，实现切屑的不断流动。从而，极大的减少了切屑模型的单元数量，也就极大的减少了计算量和计算时间。

如图6所示，通过简单的实例可以验证本文通过PFC软件编写的周期性边界模型。给予整个模型一个垂直向上的运动速度。当ID编号为82、25、58、48、69、4、18的单元超出上边界后，便重新初始化为初始状态，并移动到下边界重新进入循环。从而可以实现模型的往复不断的运动，大大简化了模拟时的计算工作量和时间。

2)涂层刀具切削加工过程离敬元模型的建立

如图7所示，采用前述力学模型测试得到的微观参数分别建立涂层刀具与切屑的离散元模型。由于切削过程时间相对较长，为实现在有限尺寸的模型中模拟涂层刀具与切屑的切削过程，切屑模型利用前述周期性边界来建立。

模型中在涂层刀具的右墙施加一定的分布压力，使刀具和切屑始终保持一定的接触压力，并固定刀具右墙与上墙沿y方向的自由度，限制刀具沿y方向的位移。赋予切屑恒定向上的流动速度，使其从下端的周期性边界层进入，沿刀具表面流动，到达上端的周期性边界层后脱离磨损区，之后再从下端的周期性边界层进入，以此往复，形成连续不断的流动。同时，切屑的左墙固定其沿x方向的自由度，限制其沿x方向的位移。

4.应用所建立的离散元模型

应用所建立的涂层刀具切削加工过程离散元模型进行模拟，观察刀具涂层切削加工过程中的涂层的裂纹扩展和破坏情况。如图8、9、10、11、12、13所示，涂层刀具首先在涂层中产生裂纹；随后裂纹沿垂直于界面的方向扩展到涂层与基体的结合界面；之后裂纹沿着结合界面继续扩展。当界面裂纹扩展到一定程度时，涂层从基体上剥落，从而导致涂层刀具失效。通过已建立的涂层刀具切削加工过程离散元模型模拟涂层刀具切削过程与试验得到的结果很好的吻合，且更直观的观察到了涂层的裂纹扩展和破坏情况，有利于更全面的分析导致涂层失效的原因。

Claims (3)

1.一种涂层刀具切削过程涂层裂纹扩展及破坏的离散元分析方法，其特征在于：分析步骤如下：

1)建立涂层刀具和切屑的离散元模型；

2)选择适合的接触模型，通过力学性能试验来校准离散元模型的微观参数；

3)进行涂层刀具和切削加工过程的模拟；

4)观察和记录涂层刀具的涂层裂纹扩展和破坏情况。

2.如权利要求1所述的一种涂层刀具切削过程涂层裂纹扩展及破坏的离散元分析方法，其特征在于：先校准刀具基体材料的力学性能，然后设置涂层排列方式、层数的微观结构，在涂层与基体的结合界面使用位移软化接触模型进行模拟。

3.如权利要求1所述的一种涂层刀具切削过程涂层裂纹扩展及破坏的离散元分析方法，其特征在于：进行涂层刀具和切削加工过程的模拟时，采用周期边界的方法模拟刀具与切屑之间的长距离运动。