一种陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法

1.本发明涉及陶瓷刀具裂纹萌生与扩展领域，具体提供一种陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.陶瓷刀具在切削过程会受到冲击，过大的冲击会使刀具产生裂纹甚至产生崩刃现象，使陶瓷刀具在没有达到磨钝标准前而过早失效。陶瓷刀具韧性较低，在切削加工过程中工件材料会污染刀具表面，受高温切屑磨损刀具等因素的影响，在切削过程的刀具裂纹萌生与扩展动态难以观察。
4.发明人发现，气孔等微缺陷是造成陶瓷刀具过早失效的重要原因，多相陶瓷的晶界强度是影响裂纹扩展路径的重要因素。但是切削过程中晶界强度与气孔对裂纹萌生与扩展的影响的研究较少。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.一种陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，包括如下步骤：构建具有气孔和微观结构的刀具模型：
8.1)通过abaqus修改voronoi图内置图形尺寸参数；
9.2)删除voronoi图中边界区域的不完整晶粒；
10.3)在voronoi图中随机去除圆形结构，获得气孔；
11.4)构建宏观刀具模型，并将voronoi图镶嵌在宏观刀具模型上，得到具有气孔和微观结构的刀具模型；
12.赋予刀具模型材料属性；
13.在voronoi图区域内划分网格，并在宏观刀具区域划分渐变网格；
14.设定材料晶粒、晶界，并赋予相应的属性；
15.在刀具前刀面与voronoi图区域插入内聚力单元；
16.按照晶粒、晶界的材料属性集合赋予内聚力单元相应属性；
17.在网格属性模块设定cohesive单元为可断裂。
18.在一些实施例中，voronoi图平均尺寸为1-5μm。
19.优选的，voronoi图平均尺寸为2μm。
20.在一些实施例中，去除的圆形结构的直径为0.24-0.28μm。
21.在一些实施例中，刀具模型的基体相为氧化铝(α-al2o3)，增强相tin。
22.优选的，氧化铝占70-85vol％，tin占15-30vol％。
23.在一些实施例中，voronoi图区域内划分的网格的尺寸为0.2-0.6μm。
24.在一些实施例中，所述晶粒包括al2o3晶粒和tin晶粒；晶界包括al2o3晶界、tin晶界和al2o
3-tin晶界。
25.在一些实施例中，宏观刀具区域渐变网格的尺寸为5-50μm渐变。
26.在一些实施例中，还包括建立切削模型的步骤，切削模型包括工件模型尺寸、断屑层高度、切削深度和切削速度。
27.上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
28.能够直观的观察切削过程裂纹萌生与扩展动态，观测切削过程气孔对裂纹扩展方式的影响。
29.在细观条件下观察切削过程的裂纹萌生与扩展形式有利于更好的理解陶瓷刀具的失效形式。辅助材料组分和切削加工的设计，通过刀具损伤模型确定会使刀具崩刃的切削速度，可以在实际切削加工时有效避免刀具崩刃失效现象。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
31.图1中，a为本发明实施例中具有微观结构的刀具模型，b为a中方框部分的局部放大图。
32.图2为本发明的气孔模型，其中，a为含有气孔的刀具微观结构模型，b为图a局部晶内气孔放大图，c为图a局部晶界气孔放大图。
33.图3为本发明实施例1中损伤区域内聚力单元受力分析图，其中，a为al2o3晶粒内聚力单元所受应力，b为al2o3晶界内聚力单元所受应力。
34.图4为本发明实施例1中裂纹扩展形貌图，其中，a为裂纹扩展初期形貌，b为裂纹扩展后期形貌。
35.图5为本发明实施例3中裂纹扩展形貌图，a为裂纹扩展初期形貌，b为裂纹扩展后期形貌。
具体实施方式
36.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.实施例1
38.刀具模型长为0.4mm，高为0.6mm，前角为-5
°
，后角为5
°
，钝圆半径为0.02m。
39.导入并通过abaqus修改voronoi图内置图形尺寸参数，使生成的voronoi图平均尺寸为2μm。删除voronoi图中边界区域的不完整晶粒。
40.构建宏观刀具模型并去除与voronoi图大小相同的矩形，运用abaqus的装配-合并单元功能镶嵌在宏观刀具模型上，得到一种具有气孔和微观结构的刀具模型。
41.赋予材料属性，刀具宏观区域为al2o3/tin复合材料，voronoi区域基体相为氧化铝(α-al2o3)，增强相tin，氧化铝占80vol％，tin占20vol％。
42.在voronoi图区域内划分尺寸为0.2-0.6μm的网格，在宏观刀具区域划分渐变网格，前刀面与后刀面网格尺寸设定为5μm，刀具其他边界网格尺寸为5-50μm渐变。
43.设定al2o3晶粒、tin晶粒、al2o3晶界、tin晶界和al2o
3-tin晶界集合，并赋予相应的属性。在刀具前刀面与voronoi图区域内聚力单元。按并赋予内聚力单元相应属性。在网格属性模块设定cohesive单元为可断裂。
44.构建切削模型。工件模型长4mm，高0.5mm。断屑层高度为0.01mm，切削深度为0.5mm，刀具给予向左的速度，速度大小为90m/min，工件底部完全固定。
45.如图4a所示，当切削速度大小为90m/min时，前刀面受到的应力超过了内聚力单元的最大内聚力，陶瓷刀具发生损坏。如图4b所示，随着切削的持续进行，在持续的切削应力的作用下裂纹继续扩展，出现了大量的氧化铝穿晶断裂。
46.实施例2
47.刀具模型长为0.4mm，高为0.6mm，前角为-5
°
，后角为5
°
，钝圆半径为0.02m。
48.导入并通过abaqus修改voronoi图内置图形尺寸参数，使生成的voronoi图平均尺寸为2μm。删除voronoi图中边界区域的不完整晶粒。
49.构建宏观刀具模型并去除与voronoi图大小相同的矩形，运用abaqus的装配-合并单元功能将镶嵌在宏观刀具模型上，得到一种具有气孔和微观结构的刀具模型。
50.赋予材料属性，刀具宏观区域为al2o3/tin复合材料，voronoi区域基体相为氧化铝(α-al2o3)，增强相tin，氧化铝占80vol％，tin占20vol％。
51.在voronoi图区域内划分尺寸为0.2-0.6μm的网格，在宏观刀具区域划分渐变网格，前刀面与后刀面网格尺寸设定为5μm，刀具其他边界网格尺寸为5-50μm渐变。
52.设定al2o3晶粒、tin晶粒、al2o3晶界、tin晶界和al2o
3-tin晶界集合，并赋予相应的属性。在刀具前刀面与voronoi图区域内聚力单元。按并赋予内聚力单元相应属性。在网格属性模块设定cohesive单元为可断裂。
53.构建切削模型。工件模型长4mm，高0.5mm。断屑层高度为0.01mm，切削深度为0.5mm，刀具给予向左的速度，速度大小为75m/min，工件底部完全固定。
54.发现切削速度为75m/min切削模型的最大主应力在即将分离的切屑处和刀具前刀面，刀具承受的最大主应力只有3.0gpa。内聚力单元的受到的应力并没有超过最大主应力，所以刀具没有断裂。
55.实施例3
56.刀具模型长为0.4mm，高为0.6mm，前角为-5
°
，后角为5
°
，钝圆半径为0.02m。
57.导入并通过abaqus修改voronoi图内置图形尺寸参数，使生成的voronoi图平均尺寸为2μm。删除voronoi图中边界区域的不完整晶粒。在voronoi图中随机去除0.24-0.28μm的圆形结构，获得气孔。
58.构建宏观刀具模型并去除与voronoi图大小相同的矩形,运用abaqus的装配-合并单元功能将镶嵌在宏观刀具模型上，得到一种具有气孔和微观结构的刀具模型。
59.赋予材料属性，刀具宏观区域为al2o3/tin复合材料，voronoi区域基体相为氧化铝(α-al2o3)，增强相tin，氧化铝占80vol％，tin占20vol％。
60.在voronoi图区域内划分尺寸为0.2-0.6μm的网格，在宏观刀具区域划分渐变网格，前刀面与后刀面网格尺寸设定为5μm，刀具其他边界网格尺寸为5-50μm渐变。
61.设定al2o3晶粒、tin晶粒、al2o3晶界、tin晶界和al2o
3-tin晶界集合，并赋予相应的属性。在刀具前刀面与voronoi图区域内聚力单元。按并赋予内聚力单元相应属性。在网格属性模块设定cohesive单元为可断裂。
62.构建切削模型。工件模型长4mm，高0.5mm。断屑层高度为0.01mm，切削深度为0.5mm，刀具给予向左的速度，速度大小为75m/min，工件底部完全固定。
63.如图5a可以看出裂纹扩展过程中部分气孔萌生了新的裂纹，并且主裂纹穿过了大量气孔。如图5b所示，材料失效的方式是从前刀面产生的主裂纹与气孔处萌生的微裂纹共同扩展，最后合并导致材料失效。这说明气孔的存在会使刀具在切削过程中产生更多的裂纹，降低了刀具材料的可靠性。
64.说明当切削速度较慢时，刀具整体受到的冲击应力没超过内聚力单元的最大内应力。但刀具具有气孔等缺陷，气孔处有应力集中现象，靠近前刀面区域的气孔受到的应力仍然超过了材料内聚力单元最大内应力，因此会产生微裂纹。如果此时刀具受到的冲击应力没有大幅度降低，受裂纹尖端和气孔处应力集中作用刀具的损伤会继续扩大，甚至导致刀具材料过早失效。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：包括如下步骤：构建具有气孔和微观结构的刀具模型：1)通过abaqus修改voronoi图内置图形尺寸参数；2)删除voronoi图中边界区域的不完整晶粒；3)在voronoi图中随机去除圆形结构，获得气孔；4)构建宏观刀具模型，并将voronoi图镶嵌在宏观刀具模型上，得到具有气孔和微观结构的刀具模型；赋予刀具模型材料属性；在voronoi图区域内划分网格，并在宏观刀具区域划分渐变网格；设定材料晶粒、晶界，并赋予相应的属性；在刀具前刀面与voronoi图区域插入内聚力单元；按照晶粒、晶界的材料属性集合赋予内聚力单元相应属性；在网格属性模块设定cohesive单元为可断裂。2.根据权利要求1所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：voronoi图平均尺寸为1-5μm。3.根据权利要求2所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：voronoi图平均尺寸为2μm。4.根据权利要求1所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：去除的圆形结构的直径为0.24-0.28μm。5.根据权利要求1所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：刀具模型的基体相为氧化铝，增强相tin。6.根据权利要求6所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：氧化铝占70-85vol％，tin占15-30vol％。7.根据权利要求1所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：voronoi图区域内划分的网格的尺寸为0.2-0.6μm。8.根据权利要求1所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：所述晶粒包括al2o3晶粒和tin晶粒；晶界包括al2o3晶界、tin晶界和al2o
3-tin晶界。9.根据权利要求1所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：宏观刀具区域渐变网格的尺寸为5-50μm渐变。10.根据权利要求1所述的陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，其特征在于：还包括建立切削模型的步骤，切削模型包括工件模型尺寸、断屑层高度、切削深度和切削速度。

技术总结
本发明公开了一种陶瓷刀具裂纹萌生与扩展的分析模型构建方法，包括如下步骤：构建具有气孔和微观结构的刀具模型：1)通过Abaqus修改Voronoi图内置图形尺寸参数；2)删除Voronoi图中边界区域的不完整晶粒；3)在Voronoi图中随机去除圆形结构，获得气孔；4)构建宏观刀具模型，并将Voronoi图镶嵌在宏观刀具模型上，得到具有气孔和微观结构的刀具模型；赋予刀具模型材料属性；在Voronoi图区域内划分网格，并在宏观刀具区域划分渐变网格；设定材料晶粒、晶界，并赋予相应的属性；在刀具前刀面与Voronoi图区域内聚力单元；按照晶粒、晶界的材料属性集合赋予内聚力单元相应属性；在网格属性模块设定Cohesive单元为可断裂。设定Cohesive单元为可断裂。设定Cohesive单元为可断裂。


技术研发人员：陈照强 史玉鑫 许崇海 黄亚军 张如伟 田从丰 张光福
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/11