高速切削速度對硬質合金切削溝痕寬度和切削力的影響

關鋒

摘要：為了能夠更加深入分析加工難度大的材料特性，利用分子動力學方法來分析了高速切削深度對Ni3Al硬質合金切削參數影響。研究結果表明：在刀具的前部與下部形成了更多的工件晶格變形區，而經過加工后的表面形成了更少能夠實現保持彈性恢復的工件原子。所有切削速度下都形成了正的溝痕前后寬度差，切削溝痕的前端具有比后端更大的寬度，表現為“前寬后窄”的變化趨勢。隨速度的提高，經硬度測試發現工件發生應變過程引起的硬化程度更顯著，從而獲得更強的抵抗變形的性能。

關鍵詞：高速切削速度;Ni3Al硬質合金;切削參數;仿真分析

0? 引言

目前已有許多計算機處理技術被用于模擬分子動力學（MD）過程，該領域已經成為計算機模擬的一個重要發展方向，主要通過分析原子與分子等層面的微觀結構變化及其特性來獲得粒子的物化屬性[1-3]。同時對于機械加工行業來說，對工件尺寸精度提出了更高要求，各類高精密處理方法獲得了大量開發與應用，從而顯著提高零件加工過程的控制精度，可以實現納米尺度的控制效果。同時還可以對零部件進行納米切削處理使其表面獲得納米級平整度[4-6]。為了能夠更加深入分析加工難度大的材料特性，可以利用分子動力學的方法來研究對此類材料進行高速切削的處理過程，為開發難加工材料處理技術提供理論支持。

1? Velocity-Verlet算法

當一個系統中含有粒子數量為N時，可以利用拉格朗日函數L來表示不同粒子的運動狀態，具體計算式如下所示：

各粒子都各自單獨的運動方式，此時可將整個系統運動過程利用微分方程組進行表示。從本質層面上分析，可以將牛頓運動方程理解為是根據設定時間步長對方程組按照時間坐標完成積分計算。按照設定的最初參數，再通過合適的算法求解方程組獲得所需結果，由此得到粒子在體系內的運動過程。Velocity-Verlet具體算法如下：

為了獲得與真實狀況更相符的切削模型，可以針對工件在不同區域的組織層建立相應的工件模型，通常可將其分成邊界層、牛頓層與恒溫層三部分。通過仿真方法對切削過程的熱量分布于流動狀態進行了測試，把接近邊界層區域的幾層原子設置成恒溫層，從而確保在切削階段形成的熱量可以被高效傳導到外部。控制恒溫層處于290K的恒溫狀態，利用分子動力學對速度進行模擬并適當調整恒溫層原子運動速度來實現。

2? 切削速度對切削過程的影響

2.1 切削參數設置

材料的加工質量受到切削速率高低的顯著影響，同時對材料切削狀態及其加工水平都具有明顯影響，這就要求深入分析工件切削情況與實際切削速度之間的關聯性。本文總共設置了4種切削速度并對其實際切削情況進行了對比，從而獲得Ni3Al硬質度工件的切削效果與切削速度的關系響。表1給出了切削過程各項工藝參數。

2.2 參數影響分析

2.2.1 切削速度對溝痕寬度的影響

對溝痕寬度與切削速度之間的關系進行分析，得到各個切削速度下的溝痕寬度差改變值Δd，結果見圖1。通過分析可以發現，所有切削速度下都形成了正的溝痕前后寬度差，由此可以推斷切削溝痕的前端具有比后端更大的寬度，表現為“前寬后窄”的變化趨勢。處于250m/s以內的切削速率狀態下，當提高切削速率后，刀具與工件產生相互作用，導致前端的寬度出現了增加的現象，并使后部兩側工件獲得更快的原子彈性恢復速率，同時形成更大的后端寬度，由于前端可以獲得比后端更大的寬度增幅，從而顯著提高了溝痕前后的寬度變化值。當速度達到250m/s以上時，隨速度的提高，經硬度測試發現工件發生應變過程引起的硬化程度更顯著，從而獲得更強的抵抗變形的性能，同時降低了溝痕前后區域的工件原子變形幅度，前后端的寬度都發生了降低。

2.2.2 切削速度對切削力的影響

為更加深入分析工件切削力與切削速度時間的關系，測試了不同切削速率對應的切削力與摩擦系數，結果見圖2。根據圖2可知，切削力表現為與平均法向和切向力基本一致。隨著切削速率的提高，平均切削力也顯著增大，當切削速率增大后，平均摩擦系數表現為先增大后降低的現象。提高切削速度后，切削部位發生了應變硬化的現象，并且當速度提高后還會引起刀具和工件的原子形成強烈作用，導致工件發生溫度快速升高，由此引起高溫軟化的情況。

3? 結論

①在刀具的前部與下部形成了更多的工件晶格變形區，而經過加工后的表面形成了更少能夠實現保持彈性恢復的工件原子。

②所有切削速度下都形成了正的溝痕前后寬度差，切削溝痕的前端具有比后端更大的寬度，表現為“前寬后窄”的變化趨勢。隨速度的提高，經硬度測試發現工件發生應變過程引起的硬化程度更顯著，從而獲得更強的抵抗變形的性能。

參考文獻：

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