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（Cooperative Institutinal Research Program协作机构研究规划 ）
CIRP 编年史一制造技术
物理上一种仿真模型纯钛合金正交切削的分段芯片的形成
关键词： 加工 造型 分段芯片
切削模拟的精度取决于微观物理的知识，包括在切削过程的本体和微观组织演化模型。本文提出了一种增强的物理材料模型，表现了微观结构演变引起的流动软化在临界晶粒尺寸下的逆霍尔取效应。这个模型能通过有限元模拟和实验评价模拟分段芯片的正交切削中剪切带的形成与晶粒细化钛。结果显示良好的预测切割和推力，切屑形态和分割频率的精度。
1简介
一个分段芯片通常是在切削材料中，具有低的热导率（例如钛及其合金）。低导热系数产生的热积累在主剪切带，这会导致局部软化，剪切定位和芯片分割。这反过来又会导致不希望的振荡，多余的切削力和相关的振动，这回抑制刀具寿命和降低量产加工特征的表面质量和尺寸精度。分段芯片的形成已被模拟的几个
采用不同的建模方法，以及记录在最近的主题论文[ 2 ] CIRP研究。基于剪切带中的空隙和裂缝观测，乌尔曼等人。[ 3 ]模拟分段切屑形成的韧性模型中的断裂机制。华和希沃布里[ 4 ]用基于能量的韧性断裂准则模拟分段切屑在切割ti-gal-4v形成。最近，calamaz等人。[ 5 ]提出了一个现象学对流行的约翰逊库克流动应力模型模拟切割ti-gal-4v芯片分割现象的修改。奥斯并对这一模型进行了进一步的细化。 [6 7]他的同事研究不同的应用。路路达和umbrello [8]使用一种类似的流动应力模型随着晶粒尺寸和硬度变化的演化方程由于动态再结晶的微观结构变化预测（DRX）在干燥和低温加工ti-gal-4v 。calamaz等人[ 5 ]还指出，应变软化可以归结为由动态恢复引起的微观结构的变化（DRV）和动态再结晶过程的主动在严重的塑性变形。丁和shin[9]提出了一种基于物理的材料模型利用位错密度作为唯一的影响因素内部状态变量。然而，他们只是模拟连续芯片的形成与模型。
在台湾的论文，最近开发出基于物理概念的模型[ 10 ]，这是出于克服对移动位错的相互作用的力学与微观结构的障碍，通过将一个额外的变形机制，允许扩展在工业纯钛切削分段芯片形成准确的模拟（CP-Ti）。具体而言，为了描述超细晶粒的材料行为是纯钛切削过程中剪切带中形成的，模型中引入了反Hall-Petch效应（ihpe），通常归因于晶界滑动[ 11 ]，这是材料一种临界晶粒尺寸下的流软化模型。这使材料低于临界晶粒尺寸。该模型是作为一个用户定义的子程序在一个基于有限元的加工仿真软件AdvantEdge实施（第三波系统，美国）和模拟cp-ti。正交切削试验，以确定切削力和芯片特性，以仿真结果来评估性能的增强的模型。
2。基于物理的本构模型
一部分简要总结了以前开发的本构模型[ 10 ]的关键环节，这与连续的切屑形成的模拟交易，并讨论了ihpe模型增强。热激活理论[ 12 ]，一个金属的流动强度进行塑性变形的制定.对于热应力的叠加错位的热应力 如下
的幅度的大小，取决于移动位错与短距离的障碍，如晶格摩擦和溶质原子的相互作用的强度。这部分是仿照使用Mecking和KOCKS【13 ]提出了如下的公式：
其中，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，G0是归一化的活化能在0k，是温度依赖的剪切模量，b是汉堡的幅度向量，是一个参考应变率，分析所需的压力克服短距离障碍在0k，p和q是定义与短距离相关的能量障碍的形状障碍的参数
无热应力应力之和的代表，所需克服的阻力位错运动由晶界提供
Pq的强度与参数有关，P和G是移动位错晶界强度相关参数和位错林相互作用
2种变量的位错密度的内部状态。P，是平均晶粒尺寸，D的演化与变形
在晶界的贡献来看，Q在式（3），参数G等于一个常数C，这在变形机制在传统Hall-Petch效应是积极的是独立的晶粒尺寸。临界晶粒尺寸小于（D），它是温度的函数，该ihpe是许多金属伴随着减少流动应力随晶粒尺寸的变化（图1）。为了捕捉到这个软化，用唯象方程建模：
D和V是温度依赖性形式的参数如表格2，对于这种组合D和V，得到D 在
，室温为10nm，这是根据协议与价值的报道中的各种金属而决定的[ 14 }。
图中传统的Hall-Petch效应
反Hall-Petch效应
进化（Refinement）的晶粒尺寸，D，由于连续动态再结晶；这发生在严重的塑性变形钛[ 15 ]，
模型如下
￡一和B是温度和应变率相关的参数，D }d是最初的晶粒尺寸和df是最终的结晶晶粒尺寸定义为Zener-Hollomon参数的函数
Cz M是材料相关的参数。在这一术语中，代表了位错林的贡献p，位错密度的演化模型如下
PHA是由于滑移引起的位错密度硬化和动态恢复过程（但在没有DRX）和由封闭的形式表达：
P0是初始的位错密度，A和B是硬化和动态恢复参数。PA在完全再结晶的相应的位错密度晶粒结构。随着塑性应变的增加，位错消耗在动态再结晶形成新的细胞/晶界过程[ 16}，这是仿照（7）式。
在高应变率变形是受粘性阻力影响，阻碍了运动位错[ 17 ]。因此，流动的位错阻力分量应力为蓝本如下[ 10 }：
D是位错（粘性）阻力系数
3模型的校准
从文学和/或从材料中使用的12被称为纯钛材料参数和常数
实验，在表1中列出，其余十一个自由参数，这是不可用的在文献中，校准使用在[ 18 }和表2中给出的可用数据。
已知的材料参数和常数CP Ti
参数 价值属性 出自裁定
校准模型参数CP Ti
4实验
正交管切割实验在一个哈丁t-42 SP数控车床进行的采用工业纯钛
（2级）一个接收显微结构等轴α相晶粒平均直径的40微米为保证平面应变条件下，管壁厚度仅限于2毫米。
要探索一个宽范围的应变和应变率，三个提供t= 0.1，0.2，0.3毫米）和五个切削速度（V }。= 20，80，100，140，180米/分钟）使用。每个测试条件被重复两次。此外，每个测试使用0°前角工具和一个新的涂层的钨硬质合金刀片（ennametal tcmw3251，一个锋利的切削刃（10 微米。无切削液使用。切削力，f 推力、FT、测定使用压电测力仪（我的<模型9257B）。切屑在环氧树脂中冷装在一个0.05 微米中完成。用1 mL氢氟酸的混合物酸（HF，40%），2毫升硝酸（硝酸，40 }）和247 mL去离子水，用于蚀刻和显示芯片的微观结构。
5有限元模型
为了模拟正交切削，二维有限元模型内置advantedgetm（第三波系统，美国），一个基于物理的机械加工仿真代码。增强本物理模型，介绍了在软件中实现的用户通过—在FORTRAN编码定义屈服面常规。接触工具/芯片接口的条件为蓝本使用库仑摩擦定律。摩擦系数的平均 贝塔，在每个模拟工具/芯片接口（表3）是从测得f和FT和方程计算
图3
模拟中使用的摩擦系数
6结果
在图2模拟f和FT与实验结果进行了比较
测量f和FT随V }减少在图2。平均和变异的实验（EXP）和模拟（SIM）
切割和推力不同切削条件下
PICTURE 3
图3。平均和变异的实验（EXP）和平均模拟（SIM）峰（s1）和山谷（s2）不同切削加工的切屑厚度条件。说明：由于在芯片几何，平均估计和不规则平均使用方法计算了s1和s2估计方差适用于10-15数据分片
模拟结果显示了类似的趋势
5%预测错误 10-20的错误在f在英尺的误差更高是应为是由于简单的库仑摩擦模型的使用在有限元模型中的刀具磨损的情况下，这总是在切削钛。
分段芯片
模拟峰值（S1）、谷（S2）厚度的RU TU 4
与测量结果图3相比请注意，只有充分形成剪切带被包含才可测量。
一般情况下，测得的芯片厚度的增加vc而减小tu模拟值显示了类似的趋势，但往往高估厚度，特别是S2对于大多数的切削条件原因是缺乏韧性断裂机制的验证经常可以在自由表面观察到裂缝模型在剪切带附近的芯片（见图1））详细的
芯片形态的比较如图4所示段芯片的被模拟捕获图4。测量和模拟芯片形状的比较
图5对比实验（EXP）和模拟（SIM）芯片分割频率）
图5显示了实验和模拟的比较芯片分割频率计算从平均峰值—峰值距离和切割速度。仿真结果捕捉测得的趋势，这表明分割频率增加几乎呈线性关系。和随
vc增加T
为了评估模型的能力，定性模型预测的微观结构中的机械加工芯片，四个具体
在芯片中的位置，标记为A-D图1（1），被选中。A位置一个位于远离剪切带，B是在边界，C是内部的剪切带，D在尖端的剪切带。晶粒尺寸与位错的对应分布密度在四个位置如图克（B和C）。
TU 6在实际的芯片微结构光学显微剪切带区域模拟（b）和（c）晶粒位错密度分布位置标记a-d晶粒尺寸 位错密度
位置a上（见图（6）），晶粒细化小。这个图（b）的模拟也显示了一个较小的细化晶粒尺寸在一个在这一地区的较低的塑性应变（见图4）。然而，该应变足以引起位错密度的增加与初始值相比（见图））。
在位置（图克（图））的一些精少量的晶粒结构表明在这里发生足够大的塑性变形。图中相应的模拟（乙）也表示了更多该地区的细化晶粒尺寸。
内部的剪切带（位置），模拟产生的超细晶粒（图G（B））由于动态再结晶和ihpe模型中的机制。预测平均晶粒尺寸为50-70纳米的剪切带区域。在高温下的剪切带，超细晶粒产生的逆霍尔—佩奇效应，导致材料软化。此外，较低的位错密度（相比，a和b）预测的剪切带（图）（图），与超细晶粒一致图（b）。剪切下位错密度的降低可以由位错湮灭/使用说明—过程活跃在DRX，与已知的一致DRX [ 1 6}。
注意小韧性裂纹位置D如图6中常看到。由于材料强度的损失，由于延性模型中不包括骨折，模拟无法复制这种观察。
7结论
本文提出了一种增强的基于物理的本构分段切屑形成的数学模型工业纯钛（CP Ti）。模型结合反Hall-Petch效应（ihpe）描述软化效应细晶结构在剪切带内的物质流动强度。流动强度是一个晶粒尺寸位错密度随变形而变化的函数。为了验证仿真结果，正交实验进行了一系列的材料和不同速度。模型模拟产生合理准确的预测切割力（＜5 }错误），推力（10-20 }错误），分割频率和芯片形态。此外，该模型能够模拟晶粒尺寸和位错的空间分布密度，这被证明是在良好的定性协议所观察到的芯片微结构。未来的工作将集中于在模型中加入韧性断裂机制来捕捉裂纹剪切带区域的形成。
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