李 奇,于天彪,王宛山

(東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院,沈陽 110819)

0 引言

拋光是為了去除工件表面的劃痕和裂紋,降低表面粗糙度和輪廓誤差,獲得更好的表面質(zhì)量,自由磨粒拋光工藝是實現(xiàn)精密、超精密加工的重要解訣手段[1]。拋光磨粒與工件的相互作用極其復(fù)雜,難以用模型準(zhǔn)確描述[2-5],為了分析拋光過程中的材料去除機理,大量的方法被應(yīng)用進行行為分析[6-8]。劃擦仿真和實驗是研究材料加工中去除行為的典型且有效的方法[9-10],劃擦實驗是一項復(fù)雜且昂貴的工作,且目前只能進行低速劃擦測試,采用有限元法可以克服這些困難[11]。JIANG等[12]建立了考慮粗糙表面接觸條件下的二體磨損模型,并定義材料的磨損能量,他們假設(shè)粗糙表面的凹凸峰為圓錐形,凹凸分布服從高斯分布。LIN[13]提出了拋光過程中材料去除率的理論模型,該模型基于微接觸彈性力學(xué)、微接觸彈塑性力學(xué)和磨粒磨損理論,此外,JONGWON等[14]進一步討論了磨粒的變形效應(yīng)模型,得到了單個磨粒的材料體積去除模型。國內(nèi)外許多專家主要對接觸區(qū)域的微切削、微裂紋、犁耕等現(xiàn)象進行研究。

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、生物相容性好、高溫強度高等優(yōu)異性能,因此被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域[15]。幾乎所有種類的鈦合金都難以加工,其應(yīng)用受到嚴重限制,因此,鈦合金的加工越來越受到人們的關(guān)注[16],然而,關(guān)于鈦合金拋光機理科學(xué)研究報告較少,為了獲得更精確拋光過程中的材料去除模型,必須揭示鈦合金拋光的微觀材料去除行為。

本文建立了固定劃擦力單磨粒劃擦的熱-力耦合有限元模型,并分析了鈦合金拋光的材料去除機理。

1 有限元模型的建立

本文的劃擦仿真采用有限元軟件ABAQUS完成。工件材料為TI-6Al-4V(TC4),密度為4440 kg/m3,熔點溫度為1540～1650 ℃,本文為1620 ℃。表1和表2顯示了材料的一些物理和熱性能。磨粒材料為金剛石,硬度為7000HV,密度為3510 kg/m3,彈性模量為1050 GPa。

表1 鈦合金TI-6Al-4V的材料物理性能

表2 鈦合金TI-6Al-4V的材料熱學(xué)性能

本文鈦合金TI-6Al-4V材料本構(gòu)模型采用Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)和Johnson-Cook失效參數(shù),具體參數(shù)如表3所示。能反映應(yīng)變強化、應(yīng)變速率強化和溫度軟化作用的Johnson-Cook本構(gòu)方程如下:

表3 Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)和失效參數(shù)

(1)

圖1 單磨粒劃擦有限元模型

表4 單顆粒劃擦仿真參數(shù)

2 拋光墊與工件表面的接觸

自由磨粒的硬度很高(如金剛石磨粒、氧化鈰磨粒等),假設(shè)拋光時工件上材料去除都是由自由磨粒與工件表面發(fā)生接觸,工件表面發(fā)生磨損而形成的。如圖2所示,粗糙拋光墊表面與工件接觸時,中間夾雜磨粒,此時工件上的壓強應(yīng)該是由拋光墊的突起區(qū)域和磨粒一同施加的。

圖2 自由磨粒拋光示意圖圖3 磨粒與拋光墊、工件接觸示意圖

圖3為磨粒與拋光墊、工件接觸示意,假設(shè)球形磨粒壓入工件不發(fā)生形變。

圖3中,h為拋光墊表面相對于參考平面高度,hs為拋光墊與工件之間的公稱間隙,hmax為表面高度最大值,λp為磨粒壓入拋光墊表面的深度,λw為磨粒壓入工件的深度,a為半徑為Rabr的磨粒壓入工件的圓形區(qū)域半徑。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 初始階段

當(dāng)F=5E-4 N,V=10 m/s時,劃擦之后垂直于劃擦路徑劃擦區(qū)截面輪廓演變?nèi)鐖D4所示,可以看出劃擦過后劃擦區(qū)產(chǎn)生回彈,回彈量逐漸減小,并達到穩(wěn)定劃擦深度。

圖4 垂直于劃擦路徑截面輪廓演變圖5 垂直于劃擦路徑截面Mises應(yīng)力演變

得到初始劃擦階段垂直于劃擦路徑截面Mises應(yīng)力演變?nèi)鐖D5所示。

得到初始劃擦階段垂直于劃擦路徑截面最大主應(yīng)力演變?nèi)鐖D6所示。

式(4)中：CA為附加質(zhì)量系數(shù)(單位長度上的附加質(zhì)量)；CM為慣性力系數(shù)(每單位長度和每單位法向加速度的慣性力)；CD為拖曳力系數(shù)(單位長度和單位法向速度的拖曳力)；Vn和為垂直于線列陣中心線的流體速度和加速度。建立水中線列陣運動控制方程為

圖6 垂直于劃擦路徑截面最大主應(yīng)力演變圖7 垂直于劃擦路徑截面壓應(yīng)力演變

可以看出劃擦過后劃擦區(qū)最大主應(yīng)力逐漸減小,由負值變?yōu)檎?并達到穩(wěn)定值,中間位置減小幅度最大。得到初始劃擦階段垂直于劃擦路徑截面壓應(yīng)力演變?nèi)鐖D7所示。

可以看出劃擦過后劃擦區(qū)壓應(yīng)力逐漸減小,并達到穩(wěn)定值,中間位置減小幅度最大。得到初始劃擦階段沿劃擦路徑截面Mises應(yīng)力云圖演變、最大主應(yīng)力云圖演變和壓應(yīng)力云圖演變?nèi)鐖D8所示(從左向右)。

(a) Mises應(yīng)力

(b) 最大主應(yīng)力

(c) 壓應(yīng)力

在拋光過程中,拋光壓力使拋光墊壓在工件表面,在拋光墊旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生摩擦,通過機械摩擦去除材料,而加工過程中摩擦熱是引起溫升的主要原因,拋光加工過程中所受的摩擦力Ff,可以表示為:

Ff=μ·p·A

(2)

式中:μ為摩擦系數(shù),p為拋光壓力,A為工件與拋光墊的接觸面積。

若不考慮與周圍環(huán)境的熱交換,拋光加工區(qū)域中所產(chǎn)生的熱量幾乎被工件、拋光墊和拋光液所吸收,如式(3)所示。

Qtotal=Qw+Qd+Qs

(3)

式中:Qw為工件吸收的熱量,Qd為拋光墊吸收的熱量,Qs為拋光液吸收的熱量。

拋光加工區(qū)域中溫度變化受到很多復(fù)雜因素的影響,其溫度變化Ts可以表示為:

Ts=Ts(p,V,α,T0,t,…)

(4)

式中:p為拋光壓力,V為工件與拋光墊之間的相對速度,α為傳熱系數(shù),T0為初始溫度,t為拋光時間等。

得到初始劃擦階段垂直于劃擦路徑截面溫度演變?nèi)鐖D9所示,可以看出劃擦過后劃擦區(qū)溫度逐漸減小,隨著時間減小速度變慢。得到初始劃擦階段沿劃擦路徑截面熱流如圖10所示,可以看出熱量從劃擦區(qū)流向工件和磨粒。

圖9 垂直于劃擦路徑截面溫度演變

圖10 沿劃擦路徑截面熱流

得到初始劃擦階段垂直于劃擦路徑截面熱流演變?nèi)鐖D11所示,可以看出劃擦過后劃擦區(qū)熱流逐漸減小,隨著時間減小速度變慢,最大熱流位置由兩側(cè)變?yōu)橹虚g位置,兩側(cè)區(qū)域減小幅度最大。

圖11 垂直于劃擦路徑截面熱流演變

得到初始劃擦階段劃擦區(qū)熱流演變?nèi)鐖D12所示(從左向右),可以看出劃擦區(qū)熱流傳遞的方向已經(jīng)沿著劃擦路徑從所有方向逐漸向沿劃擦路徑變化。

(a) 第1階段 (b) 第2階段 (c) 第3階段

3.2 初始階段及穩(wěn)定階段

3.2.1 材料去除深度

初始劃擦階段材料去除深度較低,隨著劃擦進行,劃擦溫度使材料軟化,材料去除深度逐漸加深,并進入穩(wěn)定劃擦階段,仿真得到不同劃擦力和不同劃擦速度下s=5 μm時劃擦區(qū)形貌如表5所示,材料平均去除深度隨著壓力增加而增加。在單個磨粒的高速劃擦仿真過程中發(fā)現(xiàn)了“水漂效應(yīng)”現(xiàn)象。隨著劃擦速度的提高,效應(yīng)越來越明顯。當(dāng)在相同的劃擦速度下劃擦力減小時,材料去除方法由連續(xù)去除變?yōu)椴贿B續(xù)去除。當(dāng)劃擦力為1E-4 N且劃擦速度小于50 m/s時,材料去除方式為連續(xù)去除,當(dāng)劃擦力為1E-4 N且劃擦速度大于100 m/s時,材料去除方法從連續(xù)去除變?yōu)椴贿B續(xù)去除。當(dāng)劃擦力為1E-5 N且劃擦速度小于10 m/s時,材料去除方式為連續(xù)去除,當(dāng)劃擦力為1E-5 N且劃擦速度大于50 m/s時,材料去除方法從連續(xù)去除變?yōu)椴贿B續(xù)去除。當(dāng)劃痕力為1E-6 N,劃擦速度大于10 m/s時,材料去除方法為不連續(xù)去除。

表5 不同劃擦力和劃擦速度下劃擦區(qū)形貌

仿真得到不同劃擦力和不同劃擦速度下沿劃擦路徑截面輪廓演變?nèi)鐖D13所示?？梢钥闯鲈谶B續(xù)材料去除過程中,隨著劃擦速度的增加,材料去除深度產(chǎn)生周期性波動,且劃擦速度越高波動幅值越大,波動周期越短。可以看出在不連續(xù)材料去除過程中,隨著劃擦速度的增加,磨粒與材料的接觸次數(shù)逐漸減少,但單次去除深度逐漸增加。劃擦過后劃擦區(qū)產(chǎn)生回彈,并達到穩(wěn)定的材料去除深度。

圖13 不同劃擦力和劃擦速度時截面輪廓演變

得到不同劃擦力和不同劃擦速度下劃擦區(qū)平均材料去除深度如圖14所示。在連續(xù)材料去除過程中,平均材料去除深度隨著劃擦速度的增加而增加,在不連續(xù)材料去除過程中,平均材料去除深度隨著劃擦速度的增加而降低。平均材料去除深度隨著劃擦力的增加而增加。

圖14 不同劃擦力和劃擦速度下劃擦區(qū)的平均材料去除深度

3.2.2 應(yīng)力場

得到不同劃擦力和不同劃擦速度下沿劃擦路徑截面Mises應(yīng)力演變?nèi)鐖D15所示?？梢钥闯鲅貏澆谅窂浇孛娴淖畲驧ises應(yīng)力峰值分布在磨粒與工件的劃擦接觸區(qū),隨著劃擦的進行,峰值不斷遷移,劃擦過后沿劃擦路徑截面Mises應(yīng)力逐漸減小,并達到穩(wěn)定值,穩(wěn)定后的Mises應(yīng)力值與材料去除深度呈正相關(guān)性。

3.2.3 應(yīng)變場

仿真得到不同劃擦力和不同劃擦速度下沿劃擦路徑截面應(yīng)變演變?nèi)鐖D16所示?？梢钥闯鲅貏澆谅窂浇孛娴膽?yīng)變分布與材料去除深度呈正相關(guān)性,當(dāng)劃擦力F=1E-4 N時,應(yīng)變值的數(shù)量級在1E-0,當(dāng)劃擦力F=1E-5 N時,應(yīng)變值的數(shù)量級在1E-1,當(dāng)劃擦力F=1E-6 N時,應(yīng)變值的數(shù)量級在1E-2。

圖16 不同劃擦力和劃擦速度時截面應(yīng)變演變

3.2.4 溫度場

仿真得到不同劃擦力和不同劃擦速度下沿劃擦路徑截面溫度演變?nèi)鐖D17所示。

可以看出隨著劃擦的進行,劃擦區(qū)溫度逐漸下降,且下降速度非常快,由于劃擦切削產(chǎn)生的熱量使劃擦區(qū)溫度升高,劃擦區(qū)最高溫度在磨粒與工件的接觸區(qū)。得到不同劃擦力和不同劃擦速度下劃擦區(qū)最高溫度如圖18所示,可以看出劃擦區(qū)的最高溫度隨著劃擦力和劃擦速度的增加而升高。劃擦力和劃擦速度對劃擦區(qū)最高溫度的影響都很顯著。

圖18 不同劃擦力和劃擦速度下劃擦區(qū)的最高溫度

4 結(jié)論

本章建立了固定劃擦力單磨粒劃擦熱-力耦合有限元模型,研究了鈦合金拋光過程中的材料去除機理。具體的成果如下:

(1)結(jié)果表明在單磨粒材料去除的過程中,劃擦階段分為初始劃擦階段和穩(wěn)定劃擦階段,初始劃擦階段材料去除深度相對較低 ,隨著劃擦的進行,劃擦熱使材料軟化,材料去除深度逐漸加深,進入穩(wěn)定劃擦階段。劃擦后在劃擦區(qū)產(chǎn)生回彈,回彈量隨著時間逐漸減少,最終達到穩(wěn)定的材料去除深度。

(2)發(fā)現(xiàn)了單磨粒材料去除過程中,劃擦區(qū)溫度隨著劃擦力和劃擦速度的增加而增加,分析了不同劃擦力和劃擦速度下劃擦區(qū)應(yīng)力場、應(yīng)變場演變過程,分析了劃擦區(qū)熱流傳遞情況。

(3)在單個磨粒的高速劃擦仿真過程中發(fā)現(xiàn)了“水漂效應(yīng)”現(xiàn)象。隨著劃擦速度的提高,效應(yīng)越來越明顯。當(dāng)在相同的劃擦速度下劃擦力減小時,材料去除方法由連續(xù)去除變?yōu)椴贿B續(xù)去除。在連續(xù)材料去除過程中,材料去除深度隨著劃擦速度的增加而增加。材料去除深度隨著劃擦力的增加而增加。當(dāng)劃擦力為1E-4 N且劃擦速度小于50 m/s時,材料去除方式為連續(xù)去除,當(dāng)劃擦力為1E-4 N且劃擦速度大于100 m/s時,材料去除方法從連續(xù)去除變?yōu)椴贿B續(xù)去除。當(dāng)劃擦力為1E-5 N且劃擦速度小于10 m/s時,材料去除方式為連續(xù)去除,當(dāng)劃擦力為1E-5 N且劃擦速度大于50 m/s時,材料去除方法從連續(xù)去除變?yōu)椴贿B續(xù)去除。當(dāng)劃痕力為1E-6 N,劃擦速度大于10 m/s時,材料去除方法為不連續(xù)去除。

(4)“水漂效應(yīng)”機理分析:當(dāng)磨粒低速劃擦,并達到材料最大去除深度時,工件對磨粒的法向力與劃擦力相等,因此為恒定深材料去除,當(dāng)磨粒高速劃擦,并達到材料最大去除深度時,工件對磨粒的法向力大于劃擦力,材料去除深度逐漸降低,工件對磨粒的法向力也同時減小,當(dāng)法向力小于劃擦力時,材料去除深度逐漸增加,并周而復(fù)始,產(chǎn)生波浪形的運動軌跡。由于實際拋光過程中為大量顆粒進行材料去除,因此在宏觀表現(xiàn)為均勻去除,仿真結(jié)果為鈦合金化學(xué)機械拋光高速劃擦過程中微觀材料去除機理提供了理論參考。