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（Cooperative Institutinal Research Program協(xié)作機(jī)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(shí)，包括在切削過(guò)程的本體和微觀組織演化模型。本文提出了一種增強(qiáng)的物理材料模型，表現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)演變引起的流動(dòng)軟化在臨界晶粒尺寸下的逆霍爾取效應(yīng)。這個(gè)模型能通過(guò)有限元模擬和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)模擬分段芯片的正交切削中剪切帶的形成與晶粒細(xì)化鈦。結(jié)果顯示良好的預(yù)測(cè)切割和推力，切屑形態(tài)和分割頻率的精度。
1簡(jiǎn)介
一個(gè)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(huì)導(dǎo)致局部軟化，剪切定位和芯片分割。這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致不希望的振蕩，多余的切削力和相關(guān)的振動(dòng)，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(gè)
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(cè)，烏爾曼等人。[ 3 ]模擬分段切屑形成的韌性模型中的斷裂機(jī)制。華和希沃布里[ 4 ]用基于能量的韌性斷裂準(zhǔn)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(gè)現(xiàn)象學(xué)對(duì)流行的約翰遜庫(kù)克流動(dòng)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(duì)這一模型進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化。 [6 7]他的同事研究不同的應(yīng)用。路路達(dá)和umbrello [8]使用一種類似的流動(dòng)應(yīng)力模型隨著晶粒尺寸和硬度變化的演化方程由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)（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(dòng)態(tài)恢復(fù)引起的微觀結(jié)構(gòu)的變化（DRV）和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程的主動(dòng)在嚴(yán)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(cuò)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(tái)灣的論文，最近開(kāi)發(fā)出基于物理概念的模型[ 10 ]，這是出于克服對(duì)移動(dòng)位錯(cuò)的相互作用的力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)的障礙，通過(guò)將一個(gè)額外的變形機(jī)制，允許擴(kuò)展在工業(yè)純鈦切削分段芯片形成準(zhǔn)確的模擬（CP-Ti）。具體而言，為了描述超細(xì)晶粒的材料行為是純鈦切削過(guò)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(dòng)[ 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(gè)用戶定義的子程序在一個(gè)基于有限元的加工仿真軟件AdvantEdge實(shí)施（第三波系統(tǒng)，美國(guó)）和模擬cp-ti。正交切削試驗(yàn)，以確定切削力和芯片特性，以仿真結(jié)果來(lái)評(píng)估性能的增強(qiáng)的模型。
2?；谖锢淼谋緲?gòu)模型
一部分簡(jiǎn)要總結(jié)了以前開(kāi)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(qiáng)。熱激活理論[ 12 ]，一個(gè)金屬的流動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行塑性變形的制定.對(duì)于熱應(yīng)力的疊加錯(cuò)位的熱應(yīng)力 如下
的幅度的大小，取決于移動(dòng)位錯(cuò)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(qiáng)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(duì)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(gè)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(wú)熱應(yīng)力應(yīng)力之和的代表，所需克服的阻力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)由晶界提供
Pq的強(qiáng)度與參數(shù)有關(guān)，P和G是移動(dòng)位錯(cuò)晶界強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)和位錯(cuò)林相互作用
2種變量的位錯(cuò)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(xiàn)來(lái)看，Q在式（3），參數(shù)G等于一個(gè)常數(shù)C，這在變形機(jī)制在傳統(tǒng)Hall-Petch效應(yīng)是積極的是獨(dú)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(dòng)應(yīng)力隨晶粒尺寸的變化（圖1）。為了捕捉到這個(gè)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(duì)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(jià)值的報(bào)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(jìn)化（Refinement）的晶粒尺寸，D，由于連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；這發(fā)生在嚴(yán)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(yǔ)中，代表了位錯(cuò)林的貢獻(xiàn)p，位錯(cuò)密度的演化模型如下
PHA是由于滑移引起的位錯(cuò)密度硬化和動(dòng)態(tài)恢復(fù)過(guò)程（但在沒(méi)有DRX）和由封閉的形式表達(dá)：
P0是初始的位錯(cuò)密度，A和B是硬化和動(dòng)態(tài)恢復(fù)參數(shù)。PA在完全再結(jié)晶的相應(yīng)的位錯(cuò)密度晶粒結(jié)構(gòu)。隨著塑性應(yīng)變的增加，位錯(cuò)消耗在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成新的細(xì)胞/晶界過(guò)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(yùn)動(dòng)位錯(cuò)[ 17 ]。因此，流動(dòng)的位錯(cuò)阻力分量應(yīng)力為藍(lán)本如下[ 10 }：
D是位錯(cuò)（粘性）阻力系數(shù)
3模型的校準(zhǔn)
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(shí)驗(yàn)，在表1中列出，其余十一個(gè)自由參數(shù)，這是不可用的在文獻(xiàn)中，校準(zhǔn)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(jià)值屬性 出自裁定
校準(zhǔn)模型參數(shù)CP Ti
4實(shí)驗(yàn)
正交管切割實(shí)驗(yàn)在一個(gè)哈丁t-42 SP數(shù)控車床進(jìn)行的采用工業(yè)純鈦
（2級(jí)）一個(gè)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(gè)寬范圍的應(yīng)變和應(yīng)變率，三個(gè)提供t= 0.1，0.2，0.3毫米）和五個(gè)切削速度（V }。= 20，80，100，140，180米/分鐘）使用。每個(gè)測(cè)試條件被重復(fù)兩次。此外，每個(gè)測(cè)試使用0°前角工具和一個(gè)新的涂層的鎢硬質(zhì)合金刀片（ennametal tcmw3251，一個(gè)鋒利的切削刃（10 微米。無(wú)切削液使用。切削力，f 推力、FT、測(cè)定使用壓電測(cè)力儀（我的<模型9257B）。切屑在環(huán)氧樹(shù)脂中冷裝在一個(gè)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(guó)），一個(gè)基于物理的機(jī)械加工仿真代碼。增強(qiáng)本物理模型，介紹了在軟件中實(shí)現(xiàn)的用戶通過(guò)—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(lán)本使用庫(kù)侖摩擦定律。摩擦系數(shù)的平均 貝塔，在每個(gè)模擬工具/芯片接口（表3）是從測(cè)得f和FT和方程計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較
測(cè)量f和FT隨V }減少在圖2。平均和變異的實(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)（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(shuō)明：由于在芯片幾何，平均估計(jì)和不規(guī)則平均使用方法計(jì)算了s1和s2估計(jì)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(shì)
5%預(yù)測(cè)錯(cuò)誤 10-20的錯(cuò)誤在f在英尺的誤差更高是應(yīng)為是由于簡(jiǎn)單的庫(kù)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(cè)量結(jié)果圖3相比請(qǐng)注意，只有充分形成剪切帶被包含才可測(cè)量。
一般情況下，測(cè)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(shì)，但往往高估厚度，特別是S2對(duì)于大多數(shù)的切削條件原因是缺乏韌性斷裂機(jī)制的驗(yàn)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(jiàn)圖1））詳細(xì)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(cè)量和模擬芯片形狀的比較
圖5對(duì)比實(shí)驗(yàn)（EXP）和模擬（SIM）芯片分割頻率）
圖5顯示了實(shí)驗(yàn)和模擬的比較芯片分割頻率計(jì)算從平均峰值—峰值距離和切割速度。仿真結(jié)果捕捉測(cè)得的趨勢(shì)，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(píng)估模型的能力，定性模型預(yù)測(cè)的微觀結(jié)構(gòu)中的機(jī)械加工芯片，四個(gè)具體
在芯片中的位置，標(biāo)記為A-D圖1（1），被選中。A位置一個(gè)位于遠(yuǎn)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(cuò)的對(duì)應(yīng)分布密度在四個(gè)位置如圖克（B和C）。
TU 6在實(shí)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(cuò)密度分布位置標(biāo)記a-d晶粒尺寸 位錯(cuò)密度
位置a上（見(jiàn)圖（6）），晶粒細(xì)化小。這個(gè)圖（b）的模擬也顯示了一個(gè)較小的細(xì)化晶粒尺寸在一個(gè)在這一地區(qū)的較低的塑性應(yīng)變（見(jiàn)圖4）。然而，該應(yīng)變足以引起位錯(cuò)密度的增加與初始值相比（見(jiàn)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(xì)化晶粒尺寸。
內(nèi)部的剪切帶（位置），模擬產(chǎn)生的超細(xì)晶粒（圖G（B））由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和ihpe模型中的機(jī)制。預(yù)測(cè)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(xì)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(cuò)密度（相比，a和b）預(yù)測(cè)的剪切帶（圖）（圖），與超細(xì)晶粒一致圖（b）。剪切下位錯(cuò)密度的降低可以由位錯(cuò)湮滅/使用說(shuō)明—過(guò)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(qiáng)度的損失，由于延性模型中不包括骨折，模擬無(wú)法復(fù)制這種觀察。
7結(jié)論
本文提出了一種增強(qiáng)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(xì)晶結(jié)構(gòu)在剪切帶內(nèi)的物質(zhì)流動(dòng)強(qiáng)度。流動(dòng)強(qiáng)度是一個(gè)晶粒尺寸位錯(cuò)密度隨變形而變化的函數(shù)。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一系列的材料和不同速度。模型模擬產(chǎn)生合理準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)切割力（＜5 }錯(cuò)誤），推力（10-20 }錯(cuò)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(cuò)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(lái)的工作將集中于在模型中加入韌性斷裂機(jī)制來(lái)捕捉裂紋剪切帶區(qū)域的形成。