一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法
【专利摘要】一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，包括以下步骤：确定陶瓷刀具的参数；确定陶瓷刀具微观破坏的初始状态值和临界状态值；确定工件材料的参数；在有限元仿真软件中设定刀具及工件的几何形状，并导入刀具材料、工件材料的各项相关参数；通过正交实验设计方法确定有限元仿真过程中所采用的切削参数组合；对最大损伤当量应力值进行计算；选定取值最小的切削参数组合。本发明考虑了刀具微观破坏状态、外部载荷对刀具失效的影响，同时结合了正交试验设计方法，切削参数组合的优化精度更高；对切削参数组合进行优化，大大降低了切削参数优化成本；可广泛应用于各种断续切削条件下切削参数组合的优化，并最终达到提高刀具寿命的目的。
【专利说明】一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械制造【技术领域】，尤其涉及一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数 优化方法。
【背景技术】
[0002] 切削加工技术已被广泛应用于机械制造业中的金属成型。断续切削加工技术如断 续车削以及平面铣削是切削加工技术的一个重要分支。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨、高温力 学能优良等特点，其已被广泛应用于断续切削加工技术之中。由于陶瓷材料的脆性，在断续 切削条件下，较高的切削温度以及较强的热、机械冲击使得刀具容易发生断裂乃至破损失 效，并对加工表面质量产生不良作用。因此，为提高现有陶瓷刀具寿命、降低生产成本、提高 加工效率，对断续切削条件下陶瓷刀具进行切削参数优化极为重要。
[0003] 中国文献"哈尔滨理工大学学报"（2011，16(1) :9~12)在角正交切削实验的基础 上，利用等效率一等寿命响应曲面法进行了陶瓷刀具的切削参数优化。中国文献"合肥工业 大学学报"（2001,24(4) :498~502)针对切削实验数据，通过一元线性回归给出了金属陶瓷 耐用度广义Taylor公式，在此基础上提出了切削参数的选用原则。中国文献"组合机床与 自动化加工技术"(2009,（4) :3(Γ35)以切削实验数据为基础，综合运用田口法、主成分分析 方法和表面响应法，对金属陶瓷刀具加工淬硬钢薄壁件条件下的切削参数进行了优化。中 国发明专利（申请号为201310343426. 2)公开了一种能够提高刀具切削寿命的方法，该方法 进行多次切削实验作业，将实时分形维数与原始分形维数相对比，然后相应改变切削刀具 下次工作时所采用的切削参数，以提高刀具寿命。中国发明专利（申请号：201210368239. 5) 公开了一种用仿真技术优选陶瓷刀具切削参数的方法，该方法利用有限元软件，先后使用 瞬态和稳态模拟得到陶瓷刀具的温度场和应力场，并对其进行分析，确定最优切削参数。
[0004] 在断续切削条件下，陶瓷刀具的断裂和破损是一个在多空间尺度内发生的过程： 在切削过程中的热一力耦合强场作用下，刀具材料微观裂纹扩张导致损伤累积，刀具切削 区域损伤累积到临界值时，发生宏观的断裂和破损。陶瓷刀具是否会发生断裂破坏，不只取 决于外界载荷，同时还取决于刀具材料内部的微观破坏状态。而综上可知，已有的陶瓷刀具 切削参数优化方法采用的方式为：通过大量切削实验进行经验拟合或对刀具外部载荷进行 有限元仿真分析。已有方法未对陶瓷刀具材料内部的微观破坏状态进行考虑，难以确保高 的切削参数优化精度。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有技术中的不足之处，从陶瓷刀具断裂失效的物理本质出发， 同时考虑刀具微观破坏状态以及刀具外部载荷这两者对陶瓷刀具失效的影响，并且同时结 合正交试验设计方法，提供一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，以得到可获 取最高刀具寿命的切削参数组合。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种断续切削条件下陶瓷刀具 切削参数优化方法，包括以下步骤， (1) 、首先确定陶瓷刀具的各项宏观物理性能参数、微观结构参数； (2) 、通过理论计算方法，确定陶瓷刀具微观破坏的初始状态值和临界状态值； (3) 、确定工件材料的物理性能参数、Johnson-Cook本构模型参数； (4) 、在有限元仿真软件中设定刀具及工件的几何形状，并导入刀具材料、工件材料的 各项相关参数； (5) 、根据实际加工条件，通过正交实验设计方法确定有限元仿真过程中所采用的切削 参数组合，并进行切削仿真； (6) 、依据有限元仿真结果，确定刀具应力分布； (7) 、将刀具微观破坏与刀具应力分布相结合，对不同切削参数组合下刀具的最大损伤 当量应力值进行计算； (8) 、对比刀具的最大损伤当量应力值，取值最小的切削参数组合即为可获取最高的刀 具寿命的最优选择。
[0007] 所述步骤（1)具体为：通过查阅文献或通过材料性能以及微观结构的测试和计 算，确定刀具材料的密度P、弹性模量万、泊松比V、比热G、热导率』 t、摩擦系数#、气孔 率八粒径?/。
[0008] 所述步骤（2)具体为：依据连续介质损伤力学，将多轴应力向单轴应力转化，通过 推导计算可获得陶瓷刀具材料损伤值表达式：
【权利要求】
1. 一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤， (1) 、首先确定陶瓷刀具的各项宏观物理性能参数、微观结构参数； (2) 、通过理论计算方法，确定陶瓷刀具微观破坏的初始状态值和临界状态值； (3) 、确定工件材料的物理性能参数、Johnson-Cook本构模型参数； (4) 、在有限元仿真软件中设定刀具及工件的几何形状，并导入刀具材料、工件材料的 各项相关参数； (5) 、根据实际加工条件，通过正交实验设计方法确定有限元仿真过程中所采用的切削 参数组合，并进行切削仿真； (6) 、依据有限元仿真结果，确定刀具应力分布； (7) 、将刀具微观破坏与刀具应力分布相结合，对不同切削参数组合下刀具的最大损伤 当量应力值进行计算； (8) 、对比刀具的最大损伤当量应力值，取值最小的切削参数组合即为可获取最高的刀 具寿命的最优选择。
2. 根据权利要求1所述的一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征在 于：所述步骤（1)具体为：通过查阅文献或通过材料性能以及微观结构的测试和计算，确定 刀具材料的密度P、弹性模量万、泊松比v、比热G、热导率^ t、摩擦系数#、气孔率八粒 径￠/。
3. 根据权利要求1所述的一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征在 于：所述步骤（2)具体为：依据连续介质损伤力学，将多轴应力向单轴应力转化，通过推导 计算可获得陶瓷刀具材料损伤值表达式：
其中々为刀具材料损伤值，为刀具材料的气孔率;c为刀具材料初始微裂纹长度的一 半，认为初始微裂纹长度与刀具材料粒径V相等；对于r有x=[(3-kV(1+k)];角度〃 取为V/4;//为可通过实验获取的刀具材料的摩擦系数；对于尸有/^=0.27^ ;对于7#有 /#=0. 083c 为微裂纹间距离的一半，并可认为其值为2倍的初始微裂纹长度;7为张开裂 纹长度；陶瓷刀具微观破坏的初始状态值为张开裂纹长度7为零时的损伤值A，陶瓷刀具 微观破坏的临界状态值用损伤值丛代表，其值在区间0. 2~0. 5内取值。
4. 根据权利要求1所述的一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征在 于：所述步骤（3)具体为：通过查阅文献或实验计算等方式获取工件材料的物理性能参数： 密度P w、弹性模量&、泊松比、比热G、热导率』w ; 对于Johnson-Cook本构模型，有公式如下：
其中，σ为剪应力、ε为剪应变、e为剪应变率、^为绝对温度、《为应变硬化指数，为应 变率敏感系数，《为热软化系数，以及丨为常数； 通过查阅文献或通过动态压缩实验以及拟合算法，获取Johnson-Cook本构模型中的 各项参数：应变硬化指数/?，应变率敏感系数G热软化系数《，常数丄A以及￡。
5. 根据权利要求1所述的一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征在 于：所述步骤（4)具体为：根据实际切削条件，在商用有限元仿真软件中设定刀具以及工件 的几何形状，将刀具以及工件的各项上述参数导入到软件中，对刀具以及工件进行网格划 分，并设定刀屑接触条件以及边界条件。
6. 根据权利要求1所述的一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征在 于：所述步骤（5)具体为：依据实际加工条件中需求的切削参数范围，使用正交实验设计方 法确定有限元仿真过程中所采用的各切削参数组合，然后进行切削仿真。
7. 根据权利要求1所述的一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征在 于：所述步骤（6)具体为：切削仿真结束后，根据切削过程达到稳态时的仿真结果获得刀体 应力分布，并提取不同切削参数组合下刀体上所有单元的三轴应力张量σ的各分量。
8. 根据权利要求1所述的一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征在 于：所述步骤（7)具体为：在陶瓷刀具微观破坏初始状态值Α以及临界状态值从之间均匀 取值，获取一系列损伤值久结合刀具各单元三轴应力张量σ的各分量，针对各切削参数组 合下，不同损伤值下的刀具各单元的损伤当量应力进行计算，损伤当量应力表达式为：
其中，为损伤当量应力，Α取值为0.2。
9. 根据权利要求1所述的一种断续切削条件下陶瓷刀具切削参数优化方法，其特征 在于：所述步骤（8)具体为：分别对比各切削参数组合，刀具各单元不同损伤值下的损伤当 量应力值，得到各切削参数组合下刀具上的最大损伤当量应力值；比较分析不同切削参数 组合下的刀具上的最大损伤当量应力值，取值最小的切削参数组合下刀具最难发生断裂失 效，在此最优切削参数组合条件下可获取最高刀具寿命。
【文档编号】G06F17/50GK104050322SQ201410271976
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】崔晓斌, 郭景霞, 闫艳燕, 郭强 申请人:河南理工大学