文献综述
摘 要
随着尖端科技的不断发展，脆性材料单晶锗、硅、石英玻璃和各种光学玻璃在航天等事业中的应用越来越广泛，而目前要求达到非常高的表面质量。为了得到高质量的表面，一般采用传统的研磨、抛光方法进行加工。然而研磨、抛光加工不可避免的具有生产效率低，加工表面的形而精度不高，而目前无法加工抛物面、高次曲面等缺点[1]。近年来，金刚石单点超精密车削技术得到了极大地发展，这种方法加工效率高，加工过程易于实现计算机自动控制，加工表面的形而精度高，更为重要的是可以通过计算机编程加工非常复杂的曲面。在脆性材料切削加工中，对切削过程的研究有着重要的意义。切削力、切削温度和刀具的磨损是反映切削过程的主要指标，特别是切削力，其使用范围更广。在切削过程中，直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损和使用寿命，工件加工精度以及已加工表面的质量等[2]。切削过程的建模和仿真在改进切削刀具的设计和优化切削参数方面有很大的发展潜力。有限元法逐渐成为切削过程的研究和仿真的一种有效手段。本文的主要目的就是建立一个切削过程仿真的有限元模型，预报切削力、刀具应力和切削温度。
关键词：脆性材料；切削用量； 有限元仿真；
脆性材料特点及工艺的制定原则
1.1脆性材料的特点
1.1.1脆性材料的不易加工性
脆性材料的加工性能差，这主要是因为脆性材料脆性大，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近，当材料所承受的载荷超过弹性极限时就发生断裂破坏，容易在已加工表面产生裂纹和凹坑，严重影响产品的表面质量和性能。传统的脆性材料加工方式(磨粒加工)容易造成零件表层及次表层损伤，必须通过后续的研磨、抛光等工序进行光整，因而生产效率低、加工精度不易保证，而不易加工表面形状复杂的零件。由于单晶锗、硅和光学玻璃的脆性大，所以在超精密车削过程中易于在已加工表而上产生凹坑和裂纹[3]。虽然目前已经可以实现对脆性材料的塑性车削，但是即使用最先进的机床也难以进行再现性非常好而且稳定的加工。
1.1.2脆性材料的力学影响
脆性材料或多或少的含有裂纹、孔洞、夹杂等微细观缺陷这些缺陷在载荷作用下的生长和演化是材料失效的根本原因。同时人量研究结果表明：脆性材料在围压作用下会表现出一些特殊的力学行为，随着围压的改变，脆性材料的破坏机理以及破坏形式都发生了变化。在低应变率阶段，随着围压的增加，脆性材料的破坏机理脆性或断裂韧度控制的破坏改变为侧向应力控制的断裂生长破坏。其破坏形式具体表现为材料的脆性粉碎破坏转变为准脆性剪切破坏；在高应变率阶段，围压和应变率的耦合作用使得材料破坏形式由脆性粉碎破坏转变为完全延性破坏[4]。
1.2脆性材料加工工艺应遵守的原则
1.2.1基准先行的原则
脆性材料的毛坯若是铸造状态，其定位基准的选择至关重要，选择粗基准时，应该选择与加工表面之间相对位置要求较高的不加工表而作为粗基准，并且要考虑快速装夹及可靠性；选择精基准时，应以保证工件的形位精度为首先考虑因素，其次需要考虑装夹的快速和可靠性。
1.2.2粗精加工分开的原则
对于精度较高的表面，应考虑粗加工时的夹紧力、切削热、切削力、内应力所引起工件的变形和松动问题。对于铸造毛坯或加工余量较大的工件，应该实行粗精加工分开，通过粗加工，可以及早发现毛坯内部的铸造缺陷和减少变形；如果精加工的定位基准是毛坯，为了减少定位误差以及安装找正时间，应安排一次装夹，先粗后精的加工顺序。精车时，要考虑粗加工时工件热变形对尺寸精度的影响。为了避免工件冷却后外圆尺寸变小导致工件报废、内孔尺寸变小导致需要重新加工所造成的一系列问题，首件加工时，可以根据材料的热膨胀系数，精加工时外圆尺寸适当加大，而内孔尺寸按图样尺寸加工，待其冷却至室温时，测量其尺寸变化值，后续加工以该尺寸变量确定精车的实际控制尺寸[5]。如条件允许，可以建立数据库，以数据库的数据确定精加工的尺寸值；如果定位基准是已加工表面，可以在粗车、半精车后，重新装夹进行精加工。
1.2.3一次装夹的原则
在单件小批生产中，有位置精度要求的表面，为了避免多次装夹影响位置精度，应在一次装夹中完成车削加工的内容。
2.车削过程中的的有限元仿真
2.1.1有限元分析软件的使用
脆性材料切削加工过程是一个十分复杂的非线性变形过程，传统的研究方法很难对切削机理进行定量分析。利用计算机进行有限元仿真研究具有系统性好、继承性好、可延续性好等优点，还不受时间、空间和实验条件的限制，一旦获得较好的仿真效果，则可大大缩短工艺设计的时间和成本。有限元仿真还可以获得许多用实验方法难以获得或不能获得的信息，能够再现切削过程的变形和温度的变化。利用有限元仿真技术能够方便地分析各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用的手段，为更好地研究脆性材料切削理论提供了极大的方便。本次研究所使用的仿真软件为ABAQUS，ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题[6]。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。
2.1.2脆性材料有限元模型的选择
脆性材料切削过程的有限元模型必须考虑三个基本方面：(1)一个可靠的材料模型，可以解决大应变、高应变率和很高温度；(2)一个摩擦模型，可以建模刀一屑接触面的粘一滑摩擦；(3)一个切屑分离准则，容易应用而且在合理的精度上近似于物理现象。这几个方面都已经被其他研究者进一步研究过，但以前的工作还留下了一些发展的空间，需要对这些方面的问题进一步研究，发展建模能力以获得更好的预测效果[7]。
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