□ 葉家往 □ 于愛兵 □ 鄒 翩 □ 齊少春 □ 王家煒 □ 趙家震

寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)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(kuò)散,且工件會粘結(jié)在刀具前刀面上,這是導(dǎo)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(kuò)散和粘結(jié)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(jìn)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(kuò)散。王洪巖[5]通過金剛石刀具切削單晶硅的分子動力學(xué)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(jìn)金剛石刀具發(fā)生擴(kuò)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(dāng)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(jié)。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(xiàn),切削溫度會影響金剛石刀具的擴(kuò)散和粘結(jié)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(kuò)散和粘結(jié)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(dǎo)致切削用量和刀具角度對刀具粘結(jié)和擴(kuò)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(kuò)散和粘結(jié)的影響。

筆者采用分子動力學(xué)方法,研究金剛石刀具前刀面和切屑之間的擴(kuò)散和粘結(jié)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(jìn)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(kuò)散和粘結(jié)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(kuò)散和粘結(jié),達(dá)到延長刀具壽命的目的。

2 分子動力學(xué)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(xué)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(yīng)。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(xué)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(kuò)散系數(shù)

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

2.3 粘結(jié)強度因數(shù)

粘結(jié)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(jié)在刀具前刀面的工件原子數(shù)量。粘結(jié)強度因數(shù)越大,粘結(jié)在刀具前刀面的工件原子數(shù)量越多。粘結(jié)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(jié)強度系數(shù)。

3 試驗設(shè)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(kuò)散和粘結(jié)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(kuò)散和粘結(jié)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(kuò)散系數(shù)和粘結(jié)強度因數(shù)的影響規(guī)律,從而找到三個因素對銅原子擴(kuò)散速度和刀具前刀面粘結(jié)的影響規(guī)律。單因素試驗參數(shù)參考文獻(xiàn)[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(kuò)散速度和刀具前刀面粘結(jié)的影響程度,以切削深度、切削速度、刀具前角為試驗因素,進(jìn)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(jié)果討論

4.1 刀具擴(kuò)散和粘結(jié)過程

在研究刀具的擴(kuò)散和粘結(jié)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(jìn)行標(biāo)記,如圖2所示。標(biāo)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(yuǎn)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(kuò)散到刀具內(nèi)部,隨著切削的進(jìn)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(kuò)散到刀具內(nèi)部,導(dǎo)致刀具內(nèi)部的銅原子逐漸增多。隨著切削的進(jìn)行,大多數(shù)標(biāo)記原子沿著刀具前刀面向上運動,但仍有部分標(biāo)記原子粘結(jié)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(jié)標(biāo)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(dǎo)致工件原子粘結(jié)在刀具前刀面[18]。工件原子發(fā)生粘結(jié)之后,切屑與前刀面的摩擦由外摩擦變?yōu)檎辰Y(jié)層與上層金屬的內(nèi)摩擦,這種摩擦力隨著粘結(jié)原子數(shù)量的增多而增大[19]。刀具前刀面粘結(jié)的銅原子數(shù)量隨著切削的進(jìn)行逐漸增多,切屑與粘結(jié)區(qū)域的摩擦力逐漸增大,直到大于粘結(jié)區(qū)域原子之間的結(jié)合力,粘結(jié)區(qū)域的原子鍵發(fā)生斷裂,粘結(jié)的標(biāo)記原子與刀具分離。

▲圖2 原子標(biāo)記

▲圖3 標(biāo)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(jìn)行仿真試驗,得到不同切削長度下的擴(kuò)散系數(shù)和粘結(jié)強度因數(shù),進(jìn)行線性擬合,得到擴(kuò)散系數(shù)和粘結(jié)強度因數(shù)關(guān)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(kuò)散系數(shù)和粘結(jié)強度因數(shù)為試驗指標(biāo),單因數(shù)試驗結(jié)果如圖4所示。

▲圖4 單因素試驗結(jié)果

在選定參數(shù)范圍內(nèi),擴(kuò)散系數(shù)和粘結(jié)強度因數(shù)與切削深度和切削速度為正相關(guān),與刀具前角為負(fù)相關(guān)。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(kuò)散速度,并減少粘結(jié)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(jìn)行九組仿真試驗,同樣對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,取切削長度為17 nm時的擴(kuò)散系數(shù)和粘結(jié)強度因數(shù)為試驗指標(biāo),得到正交試驗結(jié)果。

正交試驗結(jié)果見表4。

表4 正交試驗結(jié)果

采用極差分析法對正交試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,擴(kuò)散因數(shù)和粘結(jié)強度因數(shù)的極差分析結(jié)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(yīng)的試驗指標(biāo)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(kuò)散系數(shù)和粘結(jié)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(biāo)的變動幅度,R越大,說明對應(yīng)因素對試驗指標(biāo)的影響越大。由表5、表6可以看出,各因素對擴(kuò)散系數(shù)和粘結(jié)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(kuò)散速度和刀具前刀面粘結(jié)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(kuò)散系數(shù)極差分析結(jié)果

表6 粘結(jié)強度因數(shù)極差分析結(jié)果

4.4 小結(jié)

由單因素試驗和正交試驗結(jié)果可知,切削速度、切削深度、刀具前角對銅原子擴(kuò)散速度和刀具前刀面粘結(jié)的影響規(guī)律相似。這是因為在切削過程中,刀具的擴(kuò)散和粘結(jié)往往同時發(fā)生,相互影響。粘結(jié)是刀具與工件材料接觸到原子間距離時所產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象[21]。銅原子擴(kuò)散進(jìn)入到刀具內(nèi)部,使更多的銅原子與刀具原子間的距離達(dá)到粘結(jié)所需距離,銅原子更易粘結(jié)在刀具表面。銅原子粘結(jié)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(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)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(jī)床切削效率影響的權(quán)重是相同的[8],兩者中任意一個因素增大或提高一倍,機(jī)床切削效率都提高一倍。但由上述試驗結(jié)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(kuò)散速度和刀具前刀面粘結(jié)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(kuò)散速度,減少粘結(jié)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(kuò)散速度相對較低,粘結(jié)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(jié)束語

筆者對金剛石刀具切削單晶銅過程中的擴(kuò)散和粘結(jié)進(jìn)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(kuò)散速度,減少粘結(jié)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(kuò)散速度和前刀面粘結(jié)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(kuò)散速度相對較低,粘結(jié)在刀具前刀面的銅原子數(shù)量相對較少。