Si3N4基復合陶瓷刀具切削溫度場及熱應力的有限元分析*

楊廣安，呂志杰，程凱強

(山東建筑大學 機電工程學院，濟南　250061)

?

Si3N4基復合陶瓷刀具切削溫度場及熱應力的有限元分析*

楊廣安，呂志杰，程凱強

(山東建筑大學 機電工程學院，濟南250061)

摘要：應用有限元法對Si3N4基復合陶瓷刀具溫度場和熱應力進行了分析計算。通過建立Si3N4基復合陶瓷刀具三維溫度場和熱應力的有限元模型，確定邊界條件，分析求解得到Si3N4復合陶瓷刀具的溫度場和熱應力。結果表明：普通單質陶瓷刀具隨著切削速度的提高，其由切削溫度引起的最大熱Mises應力、最大熱切應力以及最大熱拉應力的增長幅度大于Si3N4基復合陶瓷刀具。說明Si3N4基復合陶瓷刀具由熱應力引起的破壞比單質陶瓷刀具小，壽命長，更適合于高速切削。

關鍵詞：高速切削；陶瓷刀具；溫度場

0引言

高速切削加工與傳統的切削加工相比，不僅在加工效率上有大幅度的提高，還顯著地提高了加工精度和加工表面的質量，并解決了傳統加工中加工效率與加工精度和加工表面質量之間的相互制約問題[1]。在高速切削加工中，刀具是影響高速切削加工的關鍵因素之一，特別是刀具材料的性能及刀具的壽命已經成為制約高速切削加工效率及加工質量的最主要因素[2-3]。其中刀具材料的改進、性能的提高、新型刀具材料的研制多少年來一直沒有間斷，而且越來越受到重視[4-5]。

復合陶瓷刀具具有高硬度、優良的耐磨性能和高溫力學性能以及穩定的化學性能被廣泛用于高速切削加工中。但復合陶瓷刀具在進行連續高速切削過程中，絕大部分的切削功會轉化成切削熱，導致刀具溫度迅速升高，刀具的前刀面甚至能達到1000℃以上[6]。由于陶瓷刀具材料的抗熱震性能和導熱性能比較低，造成刀具內產生很高的熱應力，對刀具的失效產生很大程度的影響[7-9]。Gunnars等[10]研究了金屬切削工程中溫度發生變化時刀具熱應力對耐磨性能的影響。Sayman等[11]模擬并計算了切削金屬時刀具冷卻工程中熱應力的變化。崔曉斌等[12]研究了陶瓷刀具斷續切削時的切削力和刀具溫度等的變化規律及相互關系。

目前，國內外對于復合陶瓷刀具的研究主要集中于對其材料和性能等方面。而對于復合陶瓷刀具在高速連續切削過程中速度的變化對刀具溫度場和熱應力的變化及其對刀具損壞機理的影響研究很少。本文運用有限元方法計算了Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28切削淬硬鋼T10A時切削速度的變化對刀具內的溫度場，并對刀具內的溫度場和熱應力進行了模擬仿真。分析和研究了切削速度對刀具內熱應力的影響，并通過與普通單質陶瓷刀具SNM88內的熱應力的比較，加強對復合陶瓷刀具的應用場合的認識，并對其推廣應用具有重要意義。

1溫度場及熱應力模型的建立

刀具在連續切削的過程中，刀—屑接觸區可看作是穩定的面熱源。由傳熱學理論可知，在穩態條件下，能量守恒時如果模型中任一單元內部無熱源，流入流出單元體的熱量應相等。因此，刀具在連續切削的這一過程滿足微分方程[13]：

(1)

圖1　刀具的三維溫度場及熱應力模型

圖1為刀具溫度場及熱應力場的三維模型,根據圖1確定邊界條件如下：

(1)面ABFE、ADHE和EFGH為熱傳導邊界；邊界溫度假定為25℃；

(2)面IDABKJ、BFGC和CGHD為對流邊界，即：

(2)

式中：λ—邊界上的熱導率；

t—邊界上的溫度；

h—表面熱傳遞系數；

tamb—周圍介質溫度，假定為25℃。

(3)面IJKC(刀—屑接觸區)——已知熱流邊界，即

(3)

式中：q2—刀—屑接觸區的平均熱流密度。

在實際計算時前刀面刀—屑接觸區施加一恒定溫度，此溫度的值可從下式[13]求得：

(4)

表1為工件材料淬硬T10A工具鋼(HRC61~62)；切削深度ap=0.5mm，進給量f=0.1mm/r；切削速度v=55m/min、109m/min、173m/min、217m/min時Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28和普通單質陶瓷刀具SNM88的刀—屑接觸區的平均溫度值(假定刀具SNM88也適應于式(4)，在相同的切削條件下兩種刀具刀—屑接觸區的平均溫度值相同)。

表1　各種切削速度下前刀面刀—屑接觸區的平均溫度值

由表1可知，當切削速度v=173m/min時，刀具和切屑接觸區的溫度就達到了1049.7℃了。隨著切削速度的提高，刀具和切屑接觸區的溫度將會逐漸增大，從而導致刀具內產生更大的熱應力。

2溫度場計算結果及分析

為了減少刀具的結構對分析結果的影響，Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28和普通單質陶瓷刀具SNM88選擇一樣的結構。刀具幾何角度：前角γ0=-5°，后角α0=5°，刀傾角λ0=-5°，主偏角κr=45°,倒棱寬度bγ1=0.1mm，倒棱角γ01=15°，刀尖圓弧半徑rε=1.2mm。其有限元網格劃分如圖2所示。

圖2　兩刀具的有限元網格劃分模型

將兩刀具的邊界條件輸入，求解得到在切削速度為v=217m/min下兩刀具的溫度分布如圖3所示。

(a)mnST28刀具

(b)SNM88刀具

由圖3可知，刀具mnST28最大溫度和最小溫度分別為1108.4℃和817.47℃；刀具SNM88最大溫度和最小溫度分別為1108.4℃和72.506℃。由此可見，在切削條件相同的情況下，Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28切削溫度變化幅度比普通單質陶瓷刀具SNM88小。隨著切削速度的提高，刀具的最高溫度將會繼續增大，同時對于普通單質陶瓷刀具來說，所造成的溫度變化幅度將會越大，使得刀具的使用壽命大大縮短。

3熱應力有限元分析

評價材料破壞的強度理論主要有最大Mises應力、最大切應力、最大拉應力以及莫爾理論等[14]。陶瓷刀具材料屬于脆性材料，對脆性材料的疲勞破壞應當采用最大拉應力理論和最大切應力理論；而對脆性材料的塑性破壞應當采用最大形狀改變比能理論。復合陶瓷刀具在高速切削時既有由于疲勞引起的破壞，又有由于刀尖溫度過高造成的塑性破壞。因此，Si3N4基復合陶瓷刀具的熱應力有限元分析時，主要分析刀具內的最大Mises應力、最大切應力以及最大拉應力結果。

Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28的主要成分是Si3N4和TiC其中TiC所占的百分比為15%，普通單質陶瓷刀具SNM88的成分是Sialon。表2為兩刀具的物理性能參數。

表2　兩刀具的物理性能參數

將求得的陶瓷刀具節點在切削速度v=217m/min時的溫度值作為體載荷加載到刀具有限元模型上，輸入刀具的物理性能參數：熱膨脹系數、熱導率，彈性模量以及泊松比，對刀具施加約束，得到刀具的熱應力分析如圖4~圖6所示。

熱Mises應力是衡量陶瓷刀具塑性破壞的主要指標，其值越大對刀具的損壞越嚴重。由圖4可得到，Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28的最大Mises值為61.774MPa；普通單質陶瓷刀具SNM88的最大Mises值為120.53MPa。Si3N4基復合陶瓷刀具的最大Mises應力小于普通單質陶瓷刀具。因此，熱Mises應力對普通單質陶瓷刀具的塑性損壞比復合陶瓷刀具大。

(a)mnST28刀具

(b)SNM88刀具

(a)mnST28刀具

(b)SNM88刀具

(a)mnST28刀具

(b)SNM88刀具

熱切應力和熱拉應力的衡量陶瓷刀具疲勞破壞的主要指標，其值的大小表示著刀具的疲勞破壞嚴重程度。由圖5、圖6可得到，Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28的最大熱切應力和最大熱拉應力分別為34.866MPa和33.376MPa；普通單質陶瓷刀具SNM88的最大熱切應力和最大熱拉應力分別為65.78MPa和54.433MPa。經比較可知，Si3N4基復合陶瓷刀具的最大熱切應力和最大熱拉應力均小于普通單質陶瓷刀具。所以，普通單質陶瓷刀具由疲勞引起的破壞比復合陶瓷刀具大。

為研究陶瓷刀具的熱應力與切削速度間的關系。分別求出兩刀具在切削速度v=55m/min、109m/min、173m/min時的熱應力，并將這些應力值進行整理，可得到mnST28刀具和SNM88刀具的最大熱Mises應力、最大熱切應力以及最大熱拉應力與切削速度之間的關系曲線，如圖7~圖9所示。圖7為最大熱Mises應力與切削速度之間的關系曲線；圖8為最大熱應力與切削速度之間的關系曲線；圖9為最大熱拉應力與切削速度之間的關系曲線。

圖7　最大熱Mises應力與切削速度的關系曲線

圖8　最大熱切應力與切削速度的關系曲線

圖9　最大熱拉應力與切削速度的關系曲線

由圖7~圖9可以看出：隨著切削速度的增大，Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28和普通陶瓷刀具SNM88內的最大熱Mises應力、最大熱切應力以及最大熱拉應力均增大，并且增大的幅度是也逐漸加大。可見，隨切削速度的增大，熱應力在刀具的破損中占的比重逐漸增大，且隨切削速度的逐漸增大，SNM88內的熱應力增大的幅度明顯比mnST28大。由于在高速切削加工時熱應力是造成陶瓷刀具破壞的主要因素，由此可得出結論：Si3N4基復合陶瓷刀具比普通陶瓷刀具更適應于高速加工。

4結論

復合陶瓷刀具可以通過合理的選擇材料并控制材料成分變化，從而實現了材料的熱膨脹系數、彈性模量、泊松比等物理性能的優化。因此，復合陶瓷刀具內的熱應力得到了緩解。切削速度越高，切削過程中產生的熱量越多，由有限元模擬分析可知，熱應力緩解的程度也逐漸增大。隨著切削速度的增大，Si3N4基復合陶瓷刀具mnST28熱應力的增大幅度明顯小于普通陶瓷刀具SNM88。由于隨著切削速度的提高，熱應力在刀具的破損中所占的比重逐漸增大，因此Si3N4基復合陶瓷刀具相對于普通陶瓷刀具更適應于高速切削。

[參考文獻]

[1] 曹雅莉.淺談高速切削技術與發展[J].輕工科技，2013(7):57-58.

[2] 宋炎榮，熊建武，周進.高速切削刀具材料及其合理選用[J].中國西部科技，2011(9):1-3.

[3] 劉建永，吳連連.高速切削刀具材料的研究進展[J].熱處理技術與制備，2012,33(1):39-41.

[4] 劉戰強，萬熠，周軍.高速切削刀具材料及其運用[J].機械工程材料，2006，30(5):1-4.

[5] 張克國，劉戰強.高速切削過程中材料流體特性研究[J].工具技術，2012,46(8):7-11.

[6] 王勇國，艾興，李兆前，等.新型陶瓷刀具材料的熱應力分析[J].無機材料學報，2001，16(5):999-1003.

[7] 董穎.梯度陶瓷刀具材料抗機械沖擊和抗熱沖擊性能的研究[D].濟南：山東大學,2014.

[8] Beste U,Jacobson S.A new view of the deterioration and wear of WC/CO cemented carbide rock drill buttons[J].Wear,2008, 264:1129-1141.

[9] Aslantas K,Ucun i,Cieck A. Tool life and wear mechanism of coated and uncoated Al2O3/TiCN mixed ceramic tools in turning hardened alloy steel[J].Wear,2012:442-451 .

[10] Gunnars J, Alahelisten A. Thermal stresses in diamond coating and their influence on coating wear and failure [J].Surface and Coatings Technology, 1996, 80:303-312.

[11] Sayman O, Sen F, Celik E, et al. Thermal stress analysis of WC-Co/Cr-Nimultilayer coatings on 316L steel substrate during cooling process[J].Materials and Design, 2009,30:770-774.

[12] 崔曉斌，趙軍，鄭光明，等.陶瓷刀具斷續車削淬硬鋼切削力和切削溫度的有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術，2010(12):18-24.

[13] 李維特，黃保海，畢仲波.熱應力理論分析及應用[M].北京：中國電力出版社，2004.

[14] 劉鴻文.材料力學Ⅰ [M].4版.北京:高等教育出版社,2004.

(編輯李秀敏)

Temperature and Thermal Stress Analysis of Si3N4Composite Ceramic Tool with Finite Element Method

YANG Guang-an，LV Zhi-jie，CHENG Kai-qiang

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250061,China)

Abstract：Finite element method was used for the temperature field and thermal stress of Si3N4 composite ceramic tool. Three-dimensional finite element model for the calculation of steady temperature and thermal stress of Si3N4 composite ceramic tool was established. Results showed that with increasing the cutting speed, the von-Mises stresses, maximum shear stress and maximum principal stress in common ceramic tool were much bigger than Si3N4 composite ceramic tool in high cutting speed conditions. This phenomenon showed that Si3N4 composite ceramic tool was more durable and more suitable for high-speed cutting.

Key words：high-speed cutting; ceramic tool; temperature; thermal stress; finite element

中圖分類號：TH166;TG711

文獻標識碼：A

作者簡介：楊廣安(1988—)，男，廣西貴港人，山東建筑大學碩士研究生，研究方向為陶瓷刀具及高速切削，(E-mail) yaguan146@163.com；通訊作者：呂志杰(1968—)，男，山東濰坊人，山東建筑大學副教授，博士，研究方向為高效加工及刀具材料，(E-mail)zhijie@sdjzu.edu.cn。

*基金項目：國家自然科學基金(51375281)

收稿日期：2015-05-30；修回日期：2015-07-03

文章編號：1001-2265(2016)03-0048-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.013