氧化鋯陶瓷切削加工數(shù)據(jù)分析

氧化鋯陶瓷是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨損而且具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的無機(jī)非金屬材料 [1]，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、汽車、航空航天以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。但與金屬材料相比，氧化鋯陶瓷脆性大、韌性低、導(dǎo)熱性差，在切削產(chǎn)生的熱應(yīng)力、切削力等因素的作用下，易產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)
致斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度下降，使工件過早損壞。采用有限元方法，對(duì)不同切削條件下的氧化鋯陶瓷切削加工過程進(jìn)行仿真，分析其切削機(jī)理、優(yōu)化加工工藝參數(shù)、提高加工質(zhì)量等具有重要的意義。
1 有限元模型的建立
1.1 本構(gòu)關(guān)系
與金屬切削加工不同，氧化鋯陶瓷切削加工存在裂紋生成和擴(kuò)展，以及加工后的殘留表面裂紋，一般應(yīng)用斷裂力學(xué)理論分析陶瓷材料的切削機(jī)理 [2]。斷裂力學(xué)是研究帶裂紋的構(gòu)件或部件在各種外部環(huán)境條件下，裂紋萌生、擴(kuò)展和失穩(wěn)的學(xué)科。因此，基于斷裂力學(xué)來描述氧化鋯陶瓷切削過程中的本構(gòu)關(guān)系是合理的。根據(jù)裂紋在外力作用下擴(kuò)展方式的不同，斷裂力學(xué)研究中通常把材料中常見的裂紋分為張開型 (I 型 )、滑開型 (II 型 )、撕開型 (III 型 )。其中 I 型裂紋是工程上最為常見最為危險(xiǎn)的一種類型。裂紋擴(kuò)展判據(jù)可表述為 G ≥ Gc 或 K ≥ Kc。機(jī)械能釋放率 G 與應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度 K 具有等效性，Gc 和 Kc 為臨
界值。
脆性材料的斷裂與金屬材料的斷裂顯著不同。對(duì)金屬來講，裂紋尖端有一個(gè)塑性區(qū)，而在陶瓷、混凝土等材料的裂縫擴(kuò)展前緣則存在很多微細(xì)裂縫，這些微細(xì)裂縫仍然能傳遞一定的拉應(yīng)力，從而使得應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，材料不會(huì)立即破壞，此時(shí)不適合用應(yīng)力強(qiáng)度因子K 作為判據(jù) [4]。瑞典學(xué)者 Hillerborg 等從斷裂能角度出發(fā)，提出了虛擬裂縫模型 (FCM) [5]，即用有應(yīng)力作用的虛擬裂縫來模擬微裂縫，并將虛擬裂縫間應(yīng)力的傳遞規(guī)律用圖1(a) 所示的應(yīng)力 - 裂縫寬度 (σ-w) 曲線來表示，并存在
如下關(guān)系 ：
(3)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，Hillerborg 將曲線簡(jiǎn)化為圖 1(b) 所示的直線形式，ft 為應(yīng)力臨界值，w1 為裂縫最大寬度，則 (4)以上考慮的是由拉應(yīng)力引起的 I 型斷裂形式。在對(duì)于由剪應(yīng)力引起的 II 型、III 型裂紋。由于通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量剪應(yīng)變非常困難，因此對(duì)于受剪性能目前多采用基于實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

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