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（Cooperative Institutinal Research Program協(xié)作機構(gòu)研究規(guī)劃?） CIRP 編年史一制造技術(shù) 物理上一種仿真模型純鈦合金正交切削的分段芯片的形成 關(guān)鍵詞： 加工 造型 分段芯片 切削模擬的精度取決于微觀物理的知識，包括在切削過程的本體和微觀組織演化模型。本文提出了一種增強的物理材料模型，表現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)演變引起的流動軟化在臨界晶粒尺寸下的逆霍爾取效應(yīng)。這個模型能通過有限元模擬和實驗評價模擬分段芯片的正交切削中剪切帶的形成與晶粒細化鈦。結(jié)果顯示良好的預(yù)測切割和推力，切屑形態(tài)和分割頻率的精度。 1簡介 一個分段芯片通常是在切削材料中，具有低的熱導(dǎo)率（例如鈦及其合金）。低導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生的熱積累在主剪切帶，這會導(dǎo)致局部軟化，剪切定位和芯片分割。這反過來又會導(dǎo)致不希望的振蕩，多余的切削力和相關(guān)的振動，這回抑制刀具壽命和降低量產(chǎn)加工特征的表面質(zhì)量和尺寸精度。分段芯片的形成已被模擬的幾個 采用不同的建模方法，以及記錄在最近的主題論文[ 2 ] CIRP研究?；诩羟袔е械目障逗土芽p觀測，烏爾曼等人。[ 3 ]模擬分段切屑形成的韌性模型中的斷裂機制。華和希沃布里[ 4 ]用基于能量的韌性斷裂準則模擬分段切屑在切割ti-gal-4v形成。最近，calamaz等人。[ 5 ]提出了一個現(xiàn)象學(xué)對流行的約翰遜庫克流動應(yīng)力模型模擬切割ti-gal-4v芯片分割現(xiàn)象的修改。奧斯并對這一模型進行了進一步的細化。 [6 7]他的同事研究不同的應(yīng)用。路路達和umbrello [8]使用一種類似的流動應(yīng)力模型隨著晶粒尺寸和硬度變化的演化方程由于動態(tài)再結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)變化預(yù)測（DRX）在干燥和低溫加工ti-gal-4v 。calamaz等人[ 5 ]還指出，應(yīng)變軟化可以歸結(jié)為由動態(tài)恢復(fù)引起的微觀結(jié)構(gòu)的變化（DRV）和動態(tài)再結(jié)晶過程的主動在嚴重的塑性變形。丁和shin[9]提出了一種基于物理的材料模型利用位錯密度作為唯一的影響因素內(nèi)部狀態(tài)變量。然而，他們只是模擬連續(xù)芯片的形成與模型。 在臺灣的論文，最近開發(fā)出基于物理概念的模型[ 10 ]，這是出于克服對移動位錯的相互作用的力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)的障礙，通過將一個額外的變形機制，允許擴展在工業(yè)純鈦切削分段芯片形成準確的模擬（CP-Ti）。具體而言，為了描述超細晶粒的材料行為是純鈦切削過程中剪切帶中形成的，模型中引入了反Hall-Petch效應(yīng)（ihpe），通常歸因于晶界滑動[ 11 ]，這是材料一種臨界晶粒尺寸下的流軟化模型。這使材料低于臨界晶粒尺寸。該模型是作為一個用戶定義的子程序在一個基于有限元的加工仿真軟件AdvantEdge實施（第三波系統(tǒng)，美國）和模擬cp-ti。正交切削試驗，以確定切削力和芯片特性，以仿真結(jié)果來評估性能的增強的模型。 2?；谖锢淼谋緲?gòu)模型 一部分簡要總結(jié)了以前開發(fā)的本構(gòu)模型[ 10 ]的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這與連續(xù)的切屑形成的模擬交易，并討論了ihpe模型增強。熱激活理論[ 12 ]，一個金屬的流動強度進行塑性變形的制定.對于熱應(yīng)力的疊加錯位的熱應(yīng)力 如下 的幅度的大小，取決于移動位錯與短距離的障礙，如晶格摩擦和溶質(zhì)原子的相互作用的強度。這部分是仿照使用Mecking和KOCKS【13 ]提出了如下的公式： 其中，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，G0是歸一化的活化能在0k，是溫度依賴的剪切模量，b是漢堡的幅度向量，是一個參考應(yīng)變率，分析所需的壓力克服短距離障礙在0k，p和q是定義與短距離相關(guān)的能量障礙的形狀障礙的參數(shù) 無熱應(yīng)力應(yīng)力之和的代表，所需克服的阻力位錯運動由晶界提供 Pq的強度與參數(shù)有關(guān)，P和G是移動位錯晶界強度相關(guān)參數(shù)和位錯林相互作用 2種變量的位錯密度的內(nèi)部狀態(tài)。P，是平均晶粒尺寸，D的演化與變形 在晶界的貢獻來看，Q在式（3），參數(shù)G等于一個常數(shù)C，這在變形機制在傳統(tǒng)Hall-Petch效應(yīng)是積極的是獨立的晶粒尺寸。臨界晶粒尺寸小于（D），它是溫度的函數(shù)，該ihpe是許多金屬伴隨著減少流動應(yīng)力隨晶粒尺寸的變化（圖1）。為了捕捉到這個軟化，用唯象方程建模： D和V是溫度依賴性形式的參數(shù)如表格2，對于這種組合D和V，得到D 在 ，室溫為10nm，這是根據(jù)協(xié)議與價值的報道中的各種金屬而決定的[ 14 }。 圖中傳統(tǒng)的Hall-Petch效應(yīng) 反Hall-Petch效應(yīng) 進化（Refinement）的晶粒尺寸，D，由于連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶；這發(fā)生在嚴重的塑性變形鈦[ 15 ]， 模型如下 ￡一和B是溫度和應(yīng)變率相關(guān)的參數(shù)，D }d是最初的晶粒尺寸和df是最終的結(jié)晶晶粒尺寸定義為Zener-Hollomon參數(shù)的函數(shù) Cz M是材料相關(guān)的參數(shù)。在這一術(shù)語中，代表了位錯林的貢獻p，位錯密度的演化模型如下 PHA是由于滑移引起的位錯密度硬化和動態(tài)恢復(fù)過程（但在沒有DRX）和由封閉的形式表達： P0是初始的位錯密度，A和B是硬化和動態(tài)恢復(fù)參數(shù)。PA在完全再結(jié)晶的相應(yīng)的位錯密度晶粒結(jié)構(gòu)。隨著塑性應(yīng)變的增加，位錯消耗在動態(tài)再結(jié)晶形成新的細胞/晶界過程[ 16}，這是仿照（7）式。 在高應(yīng)變率變形是受粘性阻力影響，阻礙了運動位錯[ 17 ]。因此，流動的位錯阻力分量應(yīng)力為藍本如下[ 10 }： D是位錯（粘性）阻力系數(shù) 3模型的校準 從文學(xué)和/或從材料中使用的12被稱為純鈦材料參數(shù)和常數(shù) 實驗，在表1中列出，其余十一個自由參數(shù)，這是不可用的在文獻中，校準使用在[ 18 }和表2中給出的可用數(shù)據(jù)。 已知的材料參數(shù)和常數(shù)CP Ti 參數(shù) 價值屬性 出自裁定 校準模型參數(shù)CP Ti 4實驗 正交管切割實驗在一個哈丁t-42 SP數(shù)控車床進行的采用工業(yè)純鈦 （2級）一個接收顯微結(jié)構(gòu)等軸α相晶粒平均直徑的40微米為保證平面應(yīng)變條件下，管壁厚度僅限于2毫米。 要探索一個寬范圍的應(yīng)變和應(yīng)變率，三個提供t= 0.1，0.2，0.3毫米）和五個切削速度（V }。= 20，80，100，140，180米/分鐘）使用。每個測試條件被重復(fù)兩次。此外，每個測試使用0°前角工具和一個新的涂層的鎢硬質(zhì)合金刀片（ennametal tcmw3251，一個鋒利的切削刃（10 微米。無切削液使用。切削力，f 推力、FT、測定使用壓電測力儀（我的<模型9257B）。切屑在環(huán)氧樹脂中冷裝在一個0.05 微米中完成。用1 mL氫氟酸的混合物酸（HF，40%），2毫升硝酸（硝酸，40 }）和247 mL去離子水，用于蝕刻和顯示芯片的微觀結(jié)構(gòu)。 5有限元模型 為了模擬正交切削，二維有限元模型內(nèi)置advantedgetm（第三波系統(tǒng)，美國），一個基于物理的機械加工仿真代碼。增強本物理模型，介紹了在軟件中實現(xiàn)的用戶通過—在FORTRAN編碼定義屈服面常規(guī)。接觸工具/芯片接口的條件為藍本使用庫侖摩擦定律。摩擦系數(shù)的平均 貝塔，在每個模擬工具/芯片接口（表3）是從測得f和FT和方程計算 圖3 模擬中使用的摩擦系數(shù) 6結(jié)果 在圖2模擬f和FT與實驗結(jié)果進行了比較 測量f和FT隨V }減少在圖2。平均和變異的實驗（EXP）和模擬（SIM） 切割和推力不同切削條件下 PICTURE 3 圖3。平均和變異的實驗（EXP）和平均模擬（SIM）峰（s1）和山谷（s2）不同切削加工的切屑厚度條件。說明：由于在芯片幾何，平均估計和不規(guī)則平均使用方法計算了s1和s2估計方差適用于10-15數(shù)據(jù)分片 模擬結(jié)果顯示了類似的趨勢 5%預(yù)測錯誤 10-20的錯誤在f在英尺的誤差更高是應(yīng)為是由于簡單的庫侖摩擦模型的使用在有限元模型中的刀具磨損的情況下，這總是在切削鈦。 分段芯片 模擬峰值（S1）、谷（S2）厚度的RU TU 4 與測量結(jié)果圖3相比請注意，只有充分形成剪切帶被包含才可測量。 一般情況下，測得的芯片厚度的增加vc而減小tu模擬值顯示了類似的趨勢，但往往高估厚度，特別是S2對于大多數(shù)的切削條件原因是缺乏韌性斷裂機制的驗證經(jīng)?？梢栽谧杂杀砻嬗^察到裂縫模型在剪切帶附近的芯片（見圖1））詳細的 芯片形態(tài)的比較如圖4所示段芯片的被模擬捕獲圖4。測量和模擬芯片形狀的比較 圖5對比實驗（EXP）和模擬（SIM）芯片分割頻率） 圖5顯示了實驗和模擬的比較芯片分割頻率計算從平均峰值—峰值距離和切割速度。仿真結(jié)果捕捉測得的趨勢，這表明分割頻率增加幾乎呈線性關(guān)系。和隨 vc增加T 為了評估模型的能力，定性模型預(yù)測的微觀結(jié)構(gòu)中的機械加工芯片，四個具體 在芯片中的位置，標記為A-D圖1（1），被選中。A位置一個位于遠離剪切帶，B是在邊界，C是內(nèi)部的剪切帶，D在尖端的剪切帶。晶粒尺寸與位錯的對應(yīng)分布密度在四個位置如圖克（B和C）。 TU 6在實際的芯片微結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微剪切帶區(qū)域模擬（b）和（c）晶粒位錯密度分布位置標記a-d晶粒尺寸 位錯密度 位置a上（見圖（6）），晶粒細化小。這個圖（b）的模擬也顯示了一個較小的細化晶粒尺寸在一個在這一地區(qū)的較低的塑性應(yīng)變（見圖4）。然而，該應(yīng)變足以引起位錯密度的增加與初始值相比（見圖））。 在位置（圖克（圖））的一些精少量的晶粒結(jié)構(gòu)表明在這里發(fā)生足夠大的塑性變形。圖中相應(yīng)的模擬（乙）也表示了更多該地區(qū)的細化晶粒尺寸。 內(nèi)部的剪切帶（位置），模擬產(chǎn)生的超細晶粒（圖G（B））由于動態(tài)再結(jié)晶和ihpe模型中的機制。預(yù)測平均晶粒尺寸為50-70納米的剪切帶區(qū)域。在高溫下的剪切帶，超細晶粒產(chǎn)生的逆霍爾—佩奇效應(yīng)，導(dǎo)致材料軟化。此外，較低的位錯密度（相比，a和b）預(yù)測的剪切帶（圖）（圖），與超細晶粒一致圖（b）。剪切下位錯密度的降低可以由位錯湮滅/使用說明—過程活躍在DRX，與已知的一致DRX [ 1 6}。 注意小韌性裂紋位置D如圖6中常看到。由于材料強度的損失，由于延性模型中不包括骨折，模擬無法復(fù)制這種觀察。 7結(jié)論 本文提出了一種增強的基于物理的本構(gòu)分段切屑形成的數(shù)學(xué)模型工業(yè)純鈦（CP Ti）。模型結(jié)合反Hall-Petch效應(yīng)（ihpe）描述軟化效應(yīng)細晶結(jié)構(gòu)在剪切帶內(nèi)的物質(zhì)流動強度。流動強度是一個晶粒尺寸位錯密度隨變形而變化的函數(shù)。為了驗證仿真結(jié)果，正交實驗進行了一系列的材料和不同速度。模型模擬產(chǎn)生合理準確的預(yù)測切割力（＜5 }錯誤），推力（10-20 }錯誤），分割頻率和芯片形態(tài)。此外，該模型能夠模擬晶粒尺寸和位錯的空間分布密度，這被證明是在良好的定性協(xié)議所觀察到的芯片微結(jié)構(gòu)。未來的工作將集中于在模型中加入韌性斷裂機制來捕捉裂紋剪切帶區(qū)域的形成。