基于单磨粒划擦仿真的钛合金抛光机理研究*

李 奇,于天彪,王宛山

(东北大学机械工程与自动化学院,沈阳 110819)

0 引言

抛光是为了去除工件表面的划痕和裂纹,降低表面粗糙度和轮廓误差,获得更好的表面质量,自由磨粒抛光工艺是实现精密、超精密加工的重要解诀手段[1]。抛光磨粒与工件的相互作用极其复杂,难以用模型准确描述[2-5],为了分析抛光过程中的材料去除机理,大量的方法被应用进行行为分析[6-8]。划擦仿真和实验是研究材料加工中去除行为的典型且有效的方法[9-10],划擦实验是一项复杂且昂贵的工作,且目前只能进行低速划擦测试,采用有限元法可以克服这些困难[11]。JIANG等[12]建立了考虑粗糙表面接触条件下的二体磨损模型,并定义材料的磨损能量,他们假设粗糙表面的凹凸峰为圆锥形,凹凸分布服从高斯分布。LIN[13]提出了抛光过程中材料去除率的理论模型,该模型基于微接触弹性力学、微接触弹塑性力学和磨粒磨损理论,此外,JONGWON等[14]进一步讨论了磨粒的变形效应模型,得到了单个磨粒的材料体积去除模型。国内外许多专家主要对接触区域的微切削、微裂纹、犁耕等现象进行研究。

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、生物相容性好、高温强度高等优异性能,因此被广泛应用于航空航天工业、生物医学技术等领域[15]。几乎所有种类的钛合金都难以加工,其应用受到严重限制,因此,钛合金的加工越来越受到人们的关注[16],然而,关于钛合金抛光机理科学研究报告较少,为了获得更精确抛光过程中的材料去除模型,必须揭示钛合金抛光的微观材料去除行为。

本文建立了固定划擦力单磨粒划擦的热-力耦合有限元模型,并分析了钛合金抛光的材料去除机理。

1 有限元模型的建立

本文的划擦仿真采用有限元软件ABAQUS完成。工件材料为TI-6Al-4V(TC4),密度为4440 kg/m3,熔点温度为1540～1650 ℃,本文为1620 ℃。表1和表2显示了材料的一些物理和热性能。磨粒材料为金刚石,硬度为7000HV,密度为3510 kg/m3,弹性模量为1050 GPa。

表1 钛合金TI-6Al-4V的材料物理性能

表2 钛合金TI-6Al-4V的材料热学性能

本文钛合金TI-6Al-4V材料本构模型采用Johnson-Cook本构参数和Johnson-Cook失效参数,具体参数如表3所示。能反映应变强化、应变速率强化和温度软化作用的Johnson-Cook本构方程如下:

表3 Johnson-Cook本构参数和失效参数

(1)

图1 单磨粒划擦有限元模型

表4 单颗粒划擦仿真参数

2 抛光垫与工件表面的接触

自由磨粒的硬度很高(如金刚石磨粒、氧化铈磨粒等),假设抛光时工件上材料去除都是由自由磨粒与工件表面发生接触,工件表面发生磨损而形成的。如图2所示,粗糙抛光垫表面与工件接触时,中间夹杂磨粒,此时工件上的压强应该是由抛光垫的突起区域和磨粒一同施加的。

图2 自由磨粒抛光示意图图3 磨粒与抛光垫、工件接触示意图

图3为磨粒与抛光垫、工件接触示意,假设球形磨粒压入工件不发生形变。

图3中,h为抛光垫表面相对于参考平面高度,hs为抛光垫与工件之间的公称间隙,hmax为表面高度最大值,λp为磨粒压入抛光垫表面的深度,λw为磨粒压入工件的深度,a为半径为Rabr的磨粒压入工件的圆形区域半径。

3 仿真结果与分析

3.1 初始阶段

当F=5E-4 N,V=10 m/s时,划擦之后垂直于划擦路径划擦区截面轮廓演变如图4所示,可以看出划擦过后划擦区产生回弹,回弹量逐渐减小,并达到稳定划擦深度。

图4 垂直于划擦路径截面轮廓演变图5 垂直于划擦路径截面Mises应力演变

得到初始划擦阶段垂直于划擦路径截面Mises应力演变如图5所示。

得到初始划擦阶段垂直于划擦路径截面最大主应力演变如图6所示。

式(4)中：CA为附加质量系数(单位长度上的附加质量)；CM为惯性力系数(每单位长度和每单位法向加速度的惯性力)；CD为拖曳力系数(单位长度和单位法向速度的拖曳力)；Vn和为垂直于线列阵中心线的流体速度和加速度。建立水中线列阵运动控制方程为

图6 垂直于划擦路径截面最大主应力演变图7 垂直于划擦路径截面压应力演变

可以看出划擦过后划擦区最大主应力逐渐减小,由负值变为正值,并达到稳定值,中间位置减小幅度最大。得到初始划擦阶段垂直于划擦路径截面压应力演变如图7所示。

可以看出划擦过后划擦区压应力逐渐减小,并达到稳定值,中间位置减小幅度最大。得到初始划擦阶段沿划擦路径截面Mises应力云图演变、最大主应力云图演变和压应力云图演变如图8所示(从左向右)。

(a) Mises应力

(b) 最大主应力

(c) 压应力

在抛光过程中,抛光压力使抛光垫压在工件表面,在抛光垫旋转过程中产生摩擦,通过机械摩擦去除材料,而加工过程中摩擦热是引起温升的主要原因,抛光加工过程中所受的摩擦力Ff,可以表示为:

Ff=μ·p·A

(2)

式中:μ为摩擦系数,p为抛光压力,A为工件与抛光垫的接触面积。

若不考虑与周围环境的热交换,抛光加工区域中所产生的热量几乎被工件、抛光垫和抛光液所吸收,如式(3)所示。

Qtotal=Qw+Qd+Qs

(3)

式中:Qw为工件吸收的热量,Qd为抛光垫吸收的热量,Qs为抛光液吸收的热量。

抛光加工区域中温度变化受到很多复杂因素的影响,其温度变化Ts可以表示为:

Ts=Ts(p,V,α,T0,t,…)

(4)

式中:p为抛光压力,V为工件与抛光垫之间的相对速度,α为传热系数,T0为初始温度,t为抛光时间等。

得到初始划擦阶段垂直于划擦路径截面温度演变如图9所示,可以看出划擦过后划擦区温度逐渐减小,随着时间减小速度变慢。得到初始划擦阶段沿划擦路径截面热流如图10所示,可以看出热量从划擦区流向工件和磨粒。

图9 垂直于划擦路径截面温度演变

图10 沿划擦路径截面热流

得到初始划擦阶段垂直于划擦路径截面热流演变如图11所示,可以看出划擦过后划擦区热流逐渐减小,随着时间减小速度变慢,最大热流位置由两侧变为中间位置,两侧区域减小幅度最大。

图11 垂直于划擦路径截面热流演变

得到初始划擦阶段划擦区热流演变如图12所示(从左向右),可以看出划擦区热流传递的方向已经沿着划擦路径从所有方向逐渐向沿划擦路径变化。

(a) 第1阶段 (b) 第2阶段 (c) 第3阶段

3.2 初始阶段及稳定阶段

3.2.1 材料去除深度

初始划擦阶段材料去除深度较低,随着划擦进行,划擦温度使材料软化,材料去除深度逐渐加深,并进入稳定划擦阶段,仿真得到不同划擦力和不同划擦速度下s=5 μm时划擦区形貌如表5所示,材料平均去除深度随着压力增加而增加。在单个磨粒的高速划擦仿真过程中发现了“水漂效应”现象。随着划擦速度的提高,效应越来越明显。当在相同的划擦速度下划擦力减小时,材料去除方法由连续去除变为不连续去除。当划擦力为1E-4 N且划擦速度小于50 m/s时,材料去除方式为连续去除,当划擦力为1E-4 N且划擦速度大于100 m/s时,材料去除方法从连续去除变为不连续去除。当划擦力为1E-5 N且划擦速度小于10 m/s时,材料去除方式为连续去除,当划擦力为1E-5 N且划擦速度大于50 m/s时,材料去除方法从连续去除变为不连续去除。当划痕力为1E-6 N,划擦速度大于10 m/s时,材料去除方法为不连续去除。

表5 不同划擦力和划擦速度下划擦区形貌

仿真得到不同划擦力和不同划擦速度下沿划擦路径截面轮廓演变如图13所示。可以看出在连续材料去除过程中,随着划擦速度的增加,材料去除深度产生周期性波动,且划擦速度越高波动幅值越大,波动周期越短。可以看出在不连续材料去除过程中,随着划擦速度的增加,磨粒与材料的接触次数逐渐减少,但单次去除深度逐渐增加。划擦过后划擦区产生回弹,并达到稳定的材料去除深度。

图13 不同划擦力和划擦速度时截面轮廓演变

得到不同划擦力和不同划擦速度下划擦区平均材料去除深度如图14所示。在连续材料去除过程中,平均材料去除深度随着划擦速度的增加而增加,在不连续材料去除过程中,平均材料去除深度随着划擦速度的增加而降低。平均材料去除深度随着划擦力的增加而增加。

图14 不同划擦力和划擦速度下划擦区的平均材料去除深度

3.2.2 应力场

得到不同划擦力和不同划擦速度下沿划擦路径截面Mises应力演变如图15所示。可以看出沿划擦路径截面的最大Mises应力峰值分布在磨粒与工件的划擦接触区,随着划擦的进行,峰值不断迁移,划擦过后沿划擦路径截面Mises应力逐渐减小,并达到稳定值,稳定后的Mises应力值与材料去除深度呈正相关性。

3.2.3 应变场

仿真得到不同划擦力和不同划擦速度下沿划擦路径截面应变演变如图16所示。可以看出沿划擦路径截面的应变分布与材料去除深度呈正相关性,当划擦力F=1E-4 N时,应变值的数量级在1E-0,当划擦力F=1E-5 N时,应变值的数量级在1E-1,当划擦力F=1E-6 N时,应变值的数量级在1E-2。

图16 不同划擦力和划擦速度时截面应变演变

3.2.4 温度场

仿真得到不同划擦力和不同划擦速度下沿划擦路径截面温度演变如图17所示。

可以看出随着划擦的进行,划擦区温度逐渐下降,且下降速度非常快,由于划擦切削产生的热量使划擦区温度升高,划擦区最高温度在磨粒与工件的接触区。得到不同划擦力和不同划擦速度下划擦区最高温度如图18所示,可以看出划擦区的最高温度随着划擦力和划擦速度的增加而升高。划擦力和划擦速度对划擦区最高温度的影响都很显著。

图18 不同划擦力和划擦速度下划擦区的最高温度

4 结论

本章建立了固定划擦力单磨粒划擦热-力耦合有限元模型,研究了钛合金抛光过程中的材料去除机理。具体的成果如下:

(1)结果表明在单磨粒材料去除的过程中,划擦阶段分为初始划擦阶段和稳定划擦阶段,初始划擦阶段材料去除深度相对较低 ,随着划擦的进行,划擦热使材料软化,材料去除深度逐渐加深,进入稳定划擦阶段。划擦后在划擦区产生回弹,回弹量随着时间逐渐减少,最终达到稳定的材料去除深度。

(2)发现了单磨粒材料去除过程中,划擦区温度随着划擦力和划擦速度的增加而增加,分析了不同划擦力和划擦速度下划擦区应力场、应变场演变过程,分析了划擦区热流传递情况。

(3)在单个磨粒的高速划擦仿真过程中发现了“水漂效应”现象。随着划擦速度的提高,效应越来越明显。当在相同的划擦速度下划擦力减小时,材料去除方法由连续去除变为不连续去除。在连续材料去除过程中,材料去除深度随着划擦速度的增加而增加。材料去除深度随着划擦力的增加而增加。当划擦力为1E-4 N且划擦速度小于50 m/s时,材料去除方式为连续去除,当划擦力为1E-4 N且划擦速度大于100 m/s时,材料去除方法从连续去除变为不连续去除。当划擦力为1E-5 N且划擦速度小于10 m/s时,材料去除方式为连续去除,当划擦力为1E-5 N且划擦速度大于50 m/s时,材料去除方法从连续去除变为不连续去除。当划痕力为1E-6 N,划擦速度大于10 m/s时,材料去除方法为不连续去除。

(4)“水漂效应”机理分析:当磨粒低速划擦,并达到材料最大去除深度时,工件对磨粒的法向力与划擦力相等,因此为恒定深材料去除,当磨粒高速划擦,并达到材料最大去除深度时,工件对磨粒的法向力大于划擦力,材料去除深度逐渐降低,工件对磨粒的法向力也同时减小,当法向力小于划擦力时,材料去除深度逐渐增加,并周而复始,产生波浪形的运动轨迹。由于实际抛光过程中为大量颗粒进行材料去除,因此在宏观表现为均匀去除,仿真结果为钛合金化学机械抛光高速划擦过程中微观材料去除机理提供了理论参考。