基于peridynamic理论的硬质合金刀具微观破损预测-蒋宏婉.pdf

《基于peridynamic理论的硬质合金刀具微观破损预测-蒋宏婉.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于peridynamic理论的硬质合金刀具微观破损预测-蒋宏婉.pdf（8页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、华南理工大学学报（自然科学版）第 卷第期 年月（ ） 文章编号： （ ） 收稿日期： 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ ） ： （ ）作者简介：蒋宏婉（ ），女，博士生，主要从事刀具创新设计和分子动力学研究 ： 通信作者：何林（ ），男，教授，博士生导师，主要从事刀具创新设计、摩擦与表面工程研究 ： 基于 理论的硬质合金刀具微观破损预测蒋宏婉何林， 樊淋赵先锋占刚（ 贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 ； 贵州师范学院，贵州贵阳 ）摘要：破损是刀具失效的重要形式之一，传统的刀具破损分析主要是通过切削试验进行，不仅成本高且周期长文中基于 （ ）理论近场动力学理论，重点研究硬质合金刀具车削 大直径

2、石油管道过程中刀片主切刃的近域微观破损问题首先对该切削过程进行有限元仿真分析，从中提取刀具所受载荷；然后根据 理论，在 环境下采用语言编写近场动力学建模和分析程序，结合 图像处理单元，实现了刀具主切刃近域材料微观破损过程的数值分析，包括裂纹萌生的起始位置、材料质点不同方向的位移趋势、裂纹的扩展趋势等结果表明，基于 理论的硬质合金刀具微观破损数值分析方法能够揭示该刀具主切刃近域材料的微观破损机理和破损扩展过程，给定工况下的刀具微观破损主要由冲击载荷引起的与前刀面法向呈一定夹角的微裂纹所导致，并有向里层材料非连续扩展的趋势关键词：近场动力学；硬质合金刀具；微观破损；数值分析；预测中图分类号： ：

3、金属切削加工中，受机械应力和冲击作用，刀具破损是其常见失效形式，尤其脆性较大的刀具进行断续切削或加工高硬度材料时，刀具破损更加严重传统的连续介质理论假设材料构型中任一点附近存在连续可微位移场，可有效求解其在弹性阶段的力学行为，但当构型中存在破损时，该理论难于求解 （ ）理论即近场动力学理论采用积分形式描述材料构型的基本运动，避免了对位移场的求导，对于求解刀具材料微观破损等不连续问题具有独特优势纵观国内外该领域研究现状，与国外相比，国内研究甚少在刀具微观破损研究方面，杨明伦等提出了一种基于噪声辅助经验模态分解和本征模函数能量分布的刀具破损识别方法，结果表明，此方法能够剔除切削参数变化的影响，准确

4、识别刀具破损；贺晓辉等提出了一种基于机床加工功率特征信息和互相关算法的刀具破损在线监测方法，结果表明该方法在几种典型刀具破损在线监测中能准确识别刀具失效，具有一定实用性；以上研究重点都在于刀具破损真实产生后的识别和监测，鲜有刀具破损预测方面的研究在 理论应用研究方面，沈峰等概述了 方法的理论基础，描述了其建模思路及计算体系，给出了用近场动力学方法模拟结构受冲击载荷的计算格式，结果表明 方法可以很好地模拟材料结构的损伤积累与渐进破坏过程；胡乐等提出一种基于近场动力学理论的纤维增强复合材料层压板渐进损伤分析方法，构建了适用于各向异性材料的对点力学函数，预测结果与试验结果吻合良好 等通过比较 理论中

5、均匀变形的弹性能量密度与经典弹性理论中相应的能量，呈现了如何建立试验测量而来的材料特性（如泊松比和杨氏模量等）之间的联系； 等针对某文献中 数值积分方法的不足，提出了 理论数值积分的新方法，他们将连续物质离散成离散立方单元，并对单元的不同几何结构和相互作用的层位进行了详细分类，最后通过数值试验案例证明了该方法的精度； 等开发了一个基于高斯 求积的非局部一维动力响应有效数值模拟方法，并计算了两个相应的连续与非连续实例，结果验证了该数值模拟方法的正确性； 等提出了一种各项异性的动态断裂分析材料模型，该模型能够预测复杂的断裂现象，如自发裂纹萌生、裂纹分支以及基于 理论的键能等，实验证明该模型具有准确

6、模拟多晶结构（如氧化铝陶瓷等材料）动态断裂的能力以上研究多为 理论在混凝土、陶瓷等材料上的应用，未见采用 理论对硬质合金刀具进行离散微观破损预测分析根据金属切削理论，刀具破损大都是不连续的，且离散程度据实际切削情况而定，一般的有限元分析方法很难客观分析刀具的非连续破损问题文中将近场动力学理论应用于刀具微观破损分析，提出一种基于 理论的硬质合金刀具微观破损数值预测分析方法，该数值方法适合于处理非连续介质力学问题，通过参考域内材料质点的位移情况来间接衡量破损的产生和扩展，可用于求解硬质合金刀具切削加工时刀片主切刃近域材料在从连续体到非连续体的动态演变过程中的破损问题，以预测给定切削条件下硬质合金刀

7、具的微观破损情况 刀具破损与近场动力学概述 刀具破损使用硬质合金、陶瓷等硬度高、脆性大的刀具进行切削，尤其是断续切削时，由于机械和热冲击，刀具时常发生形式不同的破损，主要包括崩刃、裂纹、碎断以及剥落 近场动力学理论 世纪初， 首次提出近场动力学（ ）思想，该理论有别于传统局部模型位移偏微分方程求解模式，结合分子动力学（ ）、无网格法（ ）和有限元法（ ）的优点，采用基于非局部思想直接积分形式的运动方程，通过积分对在一定近场范围内具有相互影响的材料点之间的相互作用力进行解算，而不论位移场的连续与否近场动力学理论假设物体占有一个参考域，参考域中任意点具有半径为（近场范围）的子域，与该子域内任一物质

8、点 之间存在相互作用力 根据牛顿第二定律，在时刻，参考域中任意点的近场动力学基本运动方程可表示为，( )（ ，） （，）， ） （，）（）式中，为材料密度，为材料质点位移场，为外力的体积力密度， 为质点 的体积定义（，）为内力的体积力密度，表示为（，）（ ，） （，）， ） ， 令 ，( ) ，( ) ，表示参考域内点与 的相对位移，令 ，表示两点的相对位置，于是，对于微弹性材料，其两点间相互作用力可表示为，( ) ，( )，( )（）其中，表示键刚度常数，与材料弹性模量和参考域半径有关，定义如式（）所示： （）（，）表示一个定义键失效条件的标量函数，（，）表示键的伸长率，可定义为，( )（）

9、当的值为时，表示一个完整的键；当的值为零时，键的伸长率达到极限伸长率，材料点对间不再有相互作用，键发生永久断裂 在某一时刻，材料在质点处的破损程度可由完整键所占比例（，）表示：（，） （，） （） 硬质合金车刀的 数值分析 切削过程数值模拟数据的提取本研究采用成都工具所的硬质合金车刀切削石油管道材料（ ），为采集切削过程冲击载荷及确定刀片受力区域形状和位置，首先通过切削仿真第期蒋宏婉等：基于 理论的硬质合金刀具微观破损预测平台对该切削过程进行数值模拟，切削用量为：切削速度 ，进给量 ，切深 ，工件是直径为 的 棒料，刀具及工件材料物理机械性能和刀片几何角度分别如表和表所示表 刀具材料性能 材料

10、密度（ ）抗拉强度 抗弯强度 硬度泊松比弹性模量 刀片 工件 表 刀具几何角度 （）刀尖角前角后角主偏角副偏角 刃倾角 基于表所述的理论模型，采用修正的拉格朗日算法和局部网格重划技术对该切削过程进行有限元模拟 ，重点考察刀片受突变载荷情况在该数值模拟过程中，作如下假设：刀屑接触区的摩擦系数为恒定值；刀屑交界面与外界环境进行均匀换热；工件固定，刀片围绕工件轴心做旋转运动经过计算和后处理得到如图所示的刀片个方向的受力情况表 数值模拟所依据理论模型 模型或准则模型名称表达式注释流动应力模型（本构模型） 模型（，）为流动应力，为等效塑性应变，为等效塑性应变率，为绝对温度断裂准则 准则 为总塑性应变，为

11、等效应力，为最大主应力，为断裂阈值屈服准则 准则 为材料剪应力刀具摩损模型 磨损模型 为界面压力，为滑移速度，为界面温度，、为实验校准系数界面摩擦模型剪切摩擦模型 为界面摩擦剪应力，为界面摩擦系数（此处取 ），为剪切屈服应力图 刀片主切刃近域受力情况 由图可以看出，在数值模拟坐标系中，刀片主切刃近域受到的个方向的力冲击载荷分别为：方向的进给抗力为 ，方向的主切削力为 ，方向的切深抗力为 ，将这个冲击载荷作为接下来刀具主切刃近域微观破损分析的输入载荷，用数值求解方法来分析该硬质合金刀片在这个方向的冲击力作用于其前刀面主切刃近域情况下的微观破损情况 硬质合金刀片 模型的构建与求解根据近场动力学理论

12、，将该硬质合金刀片主切刃近域材料进行分层处理，每一层均匀离散成正方体晶格的节点，各节点占有半径为的参考域，参考域仅仅沿刀片厚度方向扩展到相邻的层 ；每个节华南理工大学学报（自然科学版）第 卷点在参考域范围内通过“键”建立连接，处在同一层内的“键”可描述刀片材料层内性能，相邻层之间的“键”则可描述材料层间性能，且层间“键”只能在邻层之间相互作用，不会跨层作用 在该数值分析方法中，通过定义材料质点间“键”的伸长率的，( )，根据所研究材料的极限伸长率，建立如下判断条件：，( )， ，( ) ， ，( )（）即根据输入材料极限伸长率，判断材料质点间“键”的实时伸长率，( )是否大于等于所输入的极限值

13、，从而判断材料是否发生破损基于 理论，在该数值分析方法的处理过程中，将求解空间积分方程转化为求解材料质点的有限和 且需要考虑其参考域内的质点间的相互作用，存在另外质点且 ，式（）可离散为（，）（ ， ） （）式中，表示时间步序号，表示质点在处的体积令表示一个立方晶格体积常数，由于参考域被均匀离散，所以有：（） ，( )（）为体积缩减因子，可提高计算精度，定义为， ， ，其他（ ）根据该硬质合金刀片切削 的数值仿真分析结果，对该刀片主切刃近域施加载荷如图（）所示，其受力区域如图（）所示综合考虑切削用量（进给量和切深），载荷施加位置近似为前刀面主切刃附近长方形区域图 刀片主切刃近域施加载荷情况 立

14、方体晶格体积常数取为 ，则 ，参考域半径取为即 ，极限伸长率取为 ，时间步长 取为 建立 模型示意如图所示图 刀片 模型示意图 根据上述的 数值模拟方法，在 环境下采用语言编写刀片 建模和分析程序，程序编写流程如图所示经过 个时间步计算，且在时间步为 、 、 、 和 时分别输出图 程序流程图 第期蒋宏婉等：基于 理论的硬质合金刀具微观破损预测结果，即记录下刀片主切刃近域在个相互垂直方向上载荷作用下的微观破损情况 分析数据图形化处理经过编程计算，在 环境下计算生成结果均为 格式的文本，包含的是整个求解过程中计算域内所有质点的三维坐标，无法直观进行刀片破损分析，需要结合 图形处理单元将求解结果可视

15、化在 中调用数据可视模块里的数值绘图指令 进行离散点的可视化，通过测量刀片主切刃近域材料质点的位移量，来间接反应刀片该区域的破损情况 车刀片主切刃近域微观破损分析在本研究中，分别从刀片主切刃近域的 和 视图（ 坐标系中），重点分析刀片在切深抗力、主切削力、进给抗力综合作用下，其材料质点间“键”的断裂带来的质点位移情况经过 步计算后，根据 测量工具测出待测点的三维坐标，在方向即 主切削力的作用方向，刀片刀尖区域材料质点最大位移量约为 同样，在方向即 切深抗力的作用方向，刀片刀尖处材料质点最大位移量约为 材料质点由于受到外载荷的作用而产生位移，质点间“键”开始变形，或压缩或伸长；当处于伸长状态的“

16、键”的伸长率大于该材料极限伸长率时，则该“键”断裂，该处材料质点则更易发生相对大位移 本研究中，刀片主切刃近域材料微裂纹的产生和扩展过程是间接通过该区域材料质点的位移来衡量的在整个计算过程中，重点对 、 视图里方向（切深方向）和方向（主切削方向）的最大位移量进行研究，每隔 步记录一次数据同时为便于对比该硬质合金刀片在主切刃近域材料在不同方向的位移情况，将两组数据进行整合处理，得出如图所示的向和向最大位移的对比曲线由图可知，方向最大位移量比图 不同方向位移程度对比 方向大，随着时间步的积累这种差异越明显由此说明该硬质合金刀片在个方向载荷的综合作用下其主切刃近域材料的破损主要是由材料质点在主切削方

17、向的位移引起的图呈现了刀片主切刃近域材料的微观裂纹萌生和扩展过程图（）和（）所示的刀尖放大视图展现了微裂纹的初期萌生和亚稳扩展情况；由图（）可以看出，主切刃近域小部分材料质点由于“键”的断裂产生大位移，同时裂纹在逐渐生长扩大，即处于失稳扩展阶段，随着时间推移，最终此处出现较明显的破损图 主切刃近域裂纹扩展过程 从该硬质合金刀具数值模拟过程所得的受力情况分析如图（）所示，选取相应的载荷施加区域，该区域并不是在主切刃上，而是在距主切刃有微小距离的近似长方形区域，因而导致了包括刀尖在内的主切刃出现微微上翘、主切刃处材料质点产生相对较大位移、而主切刃里侧则出现“塌陷”的现象，华南理工大学学报（自然科学

18、版）第 卷同一材料层质点存在两个互逆方向的位移，类似于剪切作用，在互逆运动交界处即出现微裂纹不难预测，随着载荷作用时间的推移，微观裂纹的不断累积和扩展，该区域内材料质点间完整“键”数量逐渐减少，比例值，( )随之降低，材料在质点处的破坏程度也相应加深；当刀尖区域内所有材料质点间完整“键”所占比例的平均值降低到该刀具材料破损极限值时，刀尖发生破损 切削试验研究根据仿真试验情况，通过搭建合理的切削试验平台，将该硬质合金车刀片 进行相同切削条件的切削试验，即切削用量分别为：切削速度 ，进给量 ，切深为 采用粗车 棒料，试验机床型号为 ，断续切削 ，现场切削情况如图所示图 切削试验现场 试验结束后，采

19、用 金相显微镜和 扫描电镜对断续切削过刀片的主切刃近域进行微观破损情况观测，经过调整图像放大倍数，刀片相同区域观测结果如图所示图（）为金相显微镜放大 倍所采集的后刀面微裂纹图像，图（）为扫描电镜放大 倍所采集的后刀面微裂纹图像由图（）、（）可看出，浅色区域为切削过程产生的划痕，两图中裂纹辅助线为近似垂直于前刀面向内的微裂纹，呈现形态与 数值分析方法模拟结果有一定的相似性，微裂纹与前刀面法向夹角均在 范围内，微裂纹的产生主要是因为刀片主切刃近域受到切削系统稳定性、材料成分以及切削过程中机床振动等因素引起的冲击载荷的作用不难预测随着切削时间的推移，这种非连续微裂纹会不断累积，最终造成刀片的破损 结

20、语研究结果表明，基于近场动力学理论硬质合金刀具微观破损数值模拟方法能够相对客观地呈现刀图 后刀面微观形貌 片近主切刃区域材料微观破损的产生与扩展过程：该工况（切削速度 ，进给量 ，切深 ）下的刀片微观破损主要是由切削过程中机床振动、工件材料内部夹杂物及试验平台稳定性等不确定因素所产生的冲击载荷引起的与前刀面法向呈约 夹角的微裂纹导致，且该裂纹有向里层材料非连续扩展的趋势通过切削试验结果可看出，该数值分析方法在一定程度上能够有效预测刀具主切刃近域非连续微观破损情况，尤其是裂纹萌生位置和扩展方向，为刀具切削过程中的离散破损预测提供了一种理论方法但是作为一种新兴的数值模拟方法， 理论在刀具破损分析上

21、的应用仍存在问题：首先，该基于 理论刀具微观破损数值分析方法的分析精度一定程度上依赖于外界设定的载荷施加区域的形状和位置，该数值分析方法本身建立在微观环境下，所以载荷施加区域的形状和位置的轻微变动将可能带来分析结果的明显差异第期蒋宏婉等：基于 理论的硬质合金刀具微观破损预测其次，该数值分析方法所建立的一个断裂判断条件是基于刀具材料极限伸长率，极限伸长率不同的取值会引起材料质点不同的位移情况，破损的产生时刻和扩展情况也会发生相应的变化最后，在研究对象的 模型建立上，主要针对形状规则且简单的几何模型，对于结构复杂模型（如车刀模型）的建立将可能成为今后研究的重点内容之一参考文献：杨明伦，邵华基于 和

22、 能量分布的刀具破损识别组合机床与自动化加工技术， （）： ， ， （）： 贺晓辉，鄢萍，张佳毅，等功率信息互相关法的刀具破损在线监测重庆大学学报（自然科学版）， ， （）： ， ， ， （ ）， ， （）： 沈峰，章青，黄丹，等冲击载荷作用下混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟工程力学， ， （）： ， ， ， ， ， （）： 胡乐，余音，汪海基于近场动力学理论的层压板损伤分析方法力学学报， ， （）： ， ， ， ， （）： ， ， ， ， ： ， ： ， ， ， ， （）： ， ， ，（）： ， ， ， ， ： ， ， ， ， （）： ， ， （）： ： ， ， ， ， ， （）： ， ， ， ， （ ）： ， ， ， ， （）： ， ， ， （）： ， ， ， ， （）： ，