一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法
【專利摘要】一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：確定陶瓷刀具的參數(shù)；確定陶瓷刀具微觀破壞的初始狀態(tài)值和臨界狀態(tài)值；確定工件材料的參數(shù)；在有限元仿真軟件中設(shè)定刀具及工件的幾何形狀，并導(dǎo)入刀具材料、工件材料的各項相關(guān)參數(shù)；通過正交實驗設(shè)計方法確定有限元仿真過程中所采用的切削參數(shù)組合；對最大損傷當量應(yīng)力值進行計算；選定取值最小的切削參數(shù)組合。本發(fā)明考慮了刀具微觀破壞狀態(tài)、外部載荷對刀具失效的影響，同時結(jié)合了正交試驗設(shè)計方法，切削參數(shù)組合的優(yōu)化精度更高；對切削參數(shù)組合進行優(yōu)化，大大降低了切削參數(shù)優(yōu)化成本；可廣泛應(yīng)用于各種斷續(xù)切削條件下切削參數(shù)組合的優(yōu)化，并最終達到提高刀具壽命的目的。
【專利說明】一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機械制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù) 優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 切削加工技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機械制造業(yè)中的金屬成型。斷續(xù)切削加工技術(shù)如斷 續(xù)車削以及平面銑削是切削加工技術(shù)的一個重要分支。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨、高溫力 學(xué)能優(yōu)良等特點，其已被廣泛應(yīng)用于斷續(xù)切削加工技術(shù)之中。由于陶瓷材料的脆性，在斷續(xù) 切削條件下，較高的切削溫度以及較強的熱、機械沖擊使得刀具容易發(fā)生斷裂乃至破損失 效，并對加工表面質(zhì)量產(chǎn)生不良作用。因此，為提高現(xiàn)有陶瓷刀具壽命、降低生產(chǎn)成本、提高 加工效率，對斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具進行切削參數(shù)優(yōu)化極為重要。
[0003] 中國文獻"哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報"（2011，16(1) :9~12)在角正交切削實驗的基礎(chǔ) 上，利用等效率一等壽命響應(yīng)曲面法進行了陶瓷刀具的切削參數(shù)優(yōu)化。中國文獻"合肥工業(yè) 大學(xué)學(xué)報"（2001,24(4) :498~502)針對切削實驗數(shù)據(jù)，通過一元線性回歸給出了金屬陶瓷 耐用度廣義Taylor公式，在此基礎(chǔ)上提出了切削參數(shù)的選用原則。中國文獻"組合機床與 自動化加工技術(shù)"(2009,（4) :3(Γ35)以切削實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合運用田口法、主成分分析 方法和表面響應(yīng)法，對金屬陶瓷刀具加工淬硬鋼薄壁件條件下的切削參數(shù)進行了優(yōu)化。中 國發(fā)明專利（申請?zhí)枮?01310343426. 2)公開了一種能夠提高刀具切削壽命的方法，該方法 進行多次切削實驗作業(yè)，將實時分形維數(shù)與原始分形維數(shù)相對比，然后相應(yīng)改變切削刀具 下次工作時所采用的切削參數(shù)，以提高刀具壽命。中國發(fā)明專利（申請?zhí)枺?01210368239. 5) 公開了一種用仿真技術(shù)優(yōu)選陶瓷刀具切削參數(shù)的方法，該方法利用有限元軟件，先后使用 瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)模擬得到陶瓷刀具的溫度場和應(yīng)力場，并對其進行分析，確定最優(yōu)切削參數(shù)。
[0004] 在斷續(xù)切削條件下，陶瓷刀具的斷裂和破損是一個在多空間尺度內(nèi)發(fā)生的過程： 在切削過程中的熱一力耦合強場作用下，刀具材料微觀裂紋擴張導(dǎo)致?lián)p傷累積，刀具切削 區(qū)域損傷累積到臨界值時，發(fā)生宏觀的斷裂和破損。陶瓷刀具是否會發(fā)生斷裂破壞，不只取 決于外界載荷，同時還取決于刀具材料內(nèi)部的微觀破壞狀態(tài)。而綜上可知，已有的陶瓷刀具 切削參數(shù)優(yōu)化方法采用的方式為：通過大量切削實驗進行經(jīng)驗擬合或?qū)Φ毒咄獠枯d荷進行 有限元仿真分析。已有方法未對陶瓷刀具材料內(nèi)部的微觀破壞狀態(tài)進行考慮，難以確保高 的切削參數(shù)優(yōu)化精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，從陶瓷刀具斷裂失效的物理本質(zhì)出發(fā)， 同時考慮刀具微觀破壞狀態(tài)以及刀具外部載荷這兩者對陶瓷刀具失效的影響，并且同時結(jié) 合正交試驗設(shè)計方法，提供一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，以得到可獲 取最高刀具壽命的切削參數(shù)組合。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具 切削參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟， (1) 、首先確定陶瓷刀具的各項宏觀物理性能參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)； (2) 、通過理論計算方法，確定陶瓷刀具微觀破壞的初始狀態(tài)值和臨界狀態(tài)值； (3) 、確定工件材料的物理性能參數(shù)、Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)； (4) 、在有限元仿真軟件中設(shè)定刀具及工件的幾何形狀，并導(dǎo)入刀具材料、工件材料的 各項相關(guān)參數(shù)； (5) 、根據(jù)實際加工條件，通過正交實驗設(shè)計方法確定有限元仿真過程中所采用的切削 參數(shù)組合，并進行切削仿真； (6) 、依據(jù)有限元仿真結(jié)果，確定刀具應(yīng)力分布； (7) 、將刀具微觀破壞與刀具應(yīng)力分布相結(jié)合，對不同切削參數(shù)組合下刀具的最大損傷 當量應(yīng)力值進行計算； (8) 、對比刀具的最大損傷當量應(yīng)力值，取值最小的切削參數(shù)組合即為可獲取最高的刀 具壽命的最優(yōu)選擇。
[0007] 所述步驟（1)具體為：通過查閱文獻或通過材料性能以及微觀結(jié)構(gòu)的測試和計 算，確定刀具材料的密度P、彈性模量萬、泊松比V、比熱G、熱導(dǎo)率』 t、摩擦系數(shù)#、氣孔 率八粒徑?/。
[0008] 所述步驟（2)具體為：依據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)，將多軸應(yīng)力向單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化，通過 推導(dǎo)計算可獲得陶瓷刀具材料損傷值表達式：

【權(quán)利要求】
1. 一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于：包括以下步驟， (1) 、首先確定陶瓷刀具的各項宏觀物理性能參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)； (2) 、通過理論計算方法，確定陶瓷刀具微觀破壞的初始狀態(tài)值和臨界狀態(tài)值； (3) 、確定工件材料的物理性能參數(shù)、Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)； (4) 、在有限元仿真軟件中設(shè)定刀具及工件的幾何形狀，并導(dǎo)入刀具材料、工件材料的 各項相關(guān)參數(shù)； (5) 、根據(jù)實際加工條件，通過正交實驗設(shè)計方法確定有限元仿真過程中所采用的切削 參數(shù)組合，并進行切削仿真； (6) 、依據(jù)有限元仿真結(jié)果，確定刀具應(yīng)力分布； (7) 、將刀具微觀破壞與刀具應(yīng)力分布相結(jié)合，對不同切削參數(shù)組合下刀具的最大損傷 當量應(yīng)力值進行計算； (8) 、對比刀具的最大損傷當量應(yīng)力值，取值最小的切削參數(shù)組合即為可獲取最高的刀 具壽命的最優(yōu)選擇。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在 于：所述步驟（1)具體為：通過查閱文獻或通過材料性能以及微觀結(jié)構(gòu)的測試和計算，確定 刀具材料的密度P、彈性模量萬、泊松比v、比熱G、熱導(dǎo)率^ t、摩擦系數(shù)#、氣孔率八粒 徑￠/。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在 于：所述步驟（2)具體為：依據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)，將多軸應(yīng)力向單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化，通過推導(dǎo) 計算可獲得陶瓷刀具材料損傷值表達式：
其中々為刀具材料損傷值，為刀具材料的氣孔率;c為刀具材料初始微裂紋長度的一 半，認為初始微裂紋長度與刀具材料粒徑V相等；對于r有x=[(3-kV(1+k)];角度〃 取為V/4;//為可通過實驗獲取的刀具材料的摩擦系數(shù)；對于尸有/^=0.27^ ;對于7#有 /#=0. 083c 為微裂紋間距離的一半，并可認為其值為2倍的初始微裂紋長度;7為張開裂 紋長度；陶瓷刀具微觀破壞的初始狀態(tài)值為張開裂紋長度7為零時的損傷值A(chǔ)，陶瓷刀具 微觀破壞的臨界狀態(tài)值用損傷值叢代表，其值在區(qū)間0. 2~0. 5內(nèi)取值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在 于：所述步驟（3)具體為：通過查閱文獻或?qū)嶒炗嬎愕确绞将@取工件材料的物理性能參數(shù)： 密度P w、彈性模量&、泊松比、比熱G、熱導(dǎo)率』w ; 對于Johnson-Cook本構(gòu)模型，有公式如下：
其中，σ為剪應(yīng)力、ε為剪應(yīng)變、e為剪應(yīng)變率、^為絕對溫度、《為應(yīng)變硬化指數(shù)，為應(yīng) 變率敏感系數(shù)，《為熱軟化系數(shù)，以及丨為常數(shù)； 通過查閱文獻或通過動態(tài)壓縮實驗以及擬合算法，獲取Johnson-Cook本構(gòu)模型中的 各項參數(shù)：應(yīng)變硬化指數(shù)/?，應(yīng)變率敏感系數(shù)G熱軟化系數(shù)《，常數(shù)丄A以及￡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在 于：所述步驟（4)具體為：根據(jù)實際切削條件，在商用有限元仿真軟件中設(shè)定刀具以及工件 的幾何形狀，將刀具以及工件的各項上述參數(shù)導(dǎo)入到軟件中，對刀具以及工件進行網(wǎng)格劃 分，并設(shè)定刀屑接觸條件以及邊界條件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在 于：所述步驟（5)具體為：依據(jù)實際加工條件中需求的切削參數(shù)范圍，使用正交實驗設(shè)計方 法確定有限元仿真過程中所采用的各切削參數(shù)組合，然后進行切削仿真。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在 于：所述步驟（6)具體為：切削仿真結(jié)束后，根據(jù)切削過程達到穩(wěn)態(tài)時的仿真結(jié)果獲得刀體 應(yīng)力分布，并提取不同切削參數(shù)組合下刀體上所有單元的三軸應(yīng)力張量σ的各分量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在 于：所述步驟（7)具體為：在陶瓷刀具微觀破壞初始狀態(tài)值Α以及臨界狀態(tài)值從之間均勻 取值，獲取一系列損傷值久結(jié)合刀具各單元三軸應(yīng)力張量σ的各分量，針對各切削參數(shù)組 合下，不同損傷值下的刀具各單元的損傷當量應(yīng)力進行計算，損傷當量應(yīng)力表達式為：
其中，為損傷當量應(yīng)力，Α取值為0.2。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斷續(xù)切削條件下陶瓷刀具切削參數(shù)優(yōu)化方法，其特征 在于：所述步驟（8)具體為：分別對比各切削參數(shù)組合，刀具各單元不同損傷值下的損傷當 量應(yīng)力值，得到各切削參數(shù)組合下刀具上的最大損傷當量應(yīng)力值；比較分析不同切削參數(shù) 組合下的刀具上的最大損傷當量應(yīng)力值，取值最小的切削參數(shù)組合下刀具最難發(fā)生斷裂失 效，在此最優(yōu)切削參數(shù)組合條件下可獲取最高刀具壽命。
【文檔編號】G06F17/50GK104050322SQ201410271976
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】崔曉斌, 郭景霞, 閆艷燕, 郭強 申請人:河南理工大學(xué)