高速切削速度对硬质合金切削沟痕宽度和切削力的影响

关锋

摘要：为了能够更加深入分析加工难度大的材料特性，利用分子动力学方法来分析了高速切削深度对Ni3Al硬质合金切削参数影响。研究结果表明：在刀具的前部与下部形成了更多的工件晶格变形区，而经过加工后的表面形成了更少能够实现保持弹性恢复的工件原子。所有切削速度下都形成了正的沟痕前后宽度差，切削沟痕的前端具有比后端更大的宽度，表现为“前宽后窄”的变化趋势。随速度的提高，经硬度测试发现工件发生应变过程引起的硬化程度更显著，从而获得更强的抵抗变形的性能。

关键词：高速切削速度;Ni3Al硬质合金;切削参数;仿真分析

0  引言

目前已有许多计算机处理技术被用于模拟分子动力学（MD）过程，该领域已经成为计算机模拟的一个重要发展方向，主要通过分析原子与分子等层面的微观结构变化及其特性来获得粒子的物化属性[1-3]。同时对于机械加工行业来说，对工件尺寸精度提出了更高要求，各类高精密处理方法获得了大量开发与应用，从而显著提高零件加工过程的控制精度，可以实现纳米尺度的控制效果。同时还可以对零部件进行纳米切削处理使其表面获得纳米级平整度[4-6]。为了能够更加深入分析加工难度大的材料特性，可以利用分子动力学的方法来研究对此类材料进行高速切削的处理过程，为开发难加工材料处理技术提供理论支持。

1  Velocity-Verlet算法

当一个系统中含有粒子数量为N时，可以利用拉格朗日函数L来表示不同粒子的运动状态，具体计算式如下所示：

各粒子都各自单独的运动方式，此时可将整个系统运动过程利用微分方程组进行表示。从本质层面上分析，可以将牛顿运动方程理解为是根据设定时间步长对方程组按照时间坐标完成积分计算。按照设定的最初参数，再通过合适的算法求解方程组获得所需结果，由此得到粒子在体系内的运动过程。Velocity-Verlet具体算法如下：

为了获得与真实状况更相符的切削模型，可以针对工件在不同区域的组织层建立相应的工件模型，通常可将其分成边界层、牛顿层与恒温层三部分。通过仿真方法对切削过程的热量分布于流动状态进行了测试，把接近边界层区域的几层原子设置成恒温层，从而确保在切削阶段形成的热量可以被高效传导到外部。控制恒温层处于290K的恒温状态，利用分子动力学对速度进行模拟并适当调整恒温层原子运动速度来实现。

2  切削速度对切削过程的影响

2.1 切削参数设置

材料的加工质量受到切削速率高低的显著影响，同时对材料切削状态及其加工水平都具有明显影响，这就要求深入分析工件切削情况与实际切削速度之间的关联性。本文总共设置了4种切削速度并对其实际切削情况进行了对比，从而获得Ni3Al硬质度工件的切削效果与切削速度的关系响。表1给出了切削过程各项工艺参数。

2.2 参数影响分析

2.2.1 切削速度對沟痕宽度的影响

对沟痕宽度与切削速度之间的关系进行分析，得到各个切削速度下的沟痕宽度差改变值Δd，结果见图1。通过分析可以发现，所有切削速度下都形成了正的沟痕前后宽度差，由此可以推断切削沟痕的前端具有比后端更大的宽度，表现为“前宽后窄”的变化趋势。处于250m/s以内的切削速率状态下，当提高切削速率后，刀具与工件产生相互作用，导致前端的宽度出现了增加的现象，并使后部两侧工件获得更快的原子弹性恢复速率，同时形成更大的后端宽度，由于前端可以获得比后端更大的宽度增幅，从而显著提高了沟痕前后的宽度变化值。当速度达到250m/s以上时，随速度的提高，经硬度测试发现工件发生应变过程引起的硬化程度更显著，从而获得更强的抵抗变形的性能，同时降低了沟痕前后区域的工件原子变形幅度，前后端的宽度都发生了降低。

2.2.2 切削速度对切削力的影响

为更加深入分析工件切削力与切削速度时间的关系，测试了不同切削速率对应的切削力与摩擦系数，结果见图2。根据图2可知，切削力表现为与平均法向和切向力基本一致。随着切削速率的提高，平均切削力也显著增大，当切削速率增大后，平均摩擦系数表现为先增大后降低的现象。提高切削速度后，切削部位发生了应变硬化的现象，并且当速度提高后还会引起刀具和工件的原子形成强烈作用，导致工件发生温度快速升高，由此引起高温软化的情况。

3  结论

①在刀具的前部与下部形成了更多的工件晶格变形区，而经过加工后的表面形成了更少能够实现保持弹性恢复的工件原子。

②所有切削速度下都形成了正的沟痕前后宽度差，切削沟痕的前端具有比后端更大的宽度，表现为“前宽后窄”的变化趋势。随速度的提高，经硬度测试发现工件发生应变过程引起的硬化程度更显著，从而获得更强的抵抗变形的性能。

参考文献：

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