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附录A 译文

高速磨削中PCBN超硬磨料颗粒的微裂纹变化和磨削性能

摘 要

在这项工作中，建立了基于Voronoi图的多晶立方氮化硼（PCBN）超磨粒微裂纹的有限元分析模型，以研究Inconel 718镍基超合金单粒高速研磨过程中的断裂行为。通过迭代断裂晶粒的轮廓来预测晶粒的轮廓演变，并结合实验结果进行分析。研究了PCBN晶粒的内应力和微观结构对晶粒断裂的影响。分析了微裂纹导致的PCBN晶粒的轮廓演变和切屑形成过程，并研究了微裂纹对PCBN晶粒磨削性能的影响。结果表明，PCBN晶粒的主要断裂模式是靠近切割边缘的微断裂和晶粒内部的裂纹扩展。拉伸应力是断裂行为的主要内部影响因素，并导致比压缩应力更多的消耗量。PCBN晶粒的微观结构阻碍了应力传递，使晶粒容易出现裂缝和微裂缝。由于微裂纹的存在，参与切割过程的切削刃数量也有所不同。只有当断裂区域的百分比在40%到50%之间时，才能达到切屑形成和能量损失的平衡。微裂纹改变了PCBN晶粒的轮廓和锋利度，从而形成了一个'钝化-锐化'循环。

关键词：

1. 引言

立体氮化硼（CBN）是一种仅次于金刚石的超硬磨料颗粒，但具有优良的热稳定性和化学惰性的优点。镍基超合金可以通过CBN晶粒的高速磨削工艺进行良好的加工，与普通磨削工艺相比，它可以提供更低的磨削力和更高的磨削率^[1-6]。在磨削过程中，晶粒和工件之间的机械、物理和化学作用会磨损砂轮，从而影响其磨削性能。当砂轮磨损严重时，会出现振动、噪音和工件上的灼伤，并降低加工精度。除了拉伤外，钎焊砂轮的磨损模式还包括非线性磨损、宏观断裂和微观断裂^[7]。常用的钎焊CBN砂轮是由普通单晶CBN（MCBN）晶粒组成的。这些MCBN晶粒是各向异性的，容易发生分裂。以前的实验观察表明，MCBN晶粒的主要磨损模式是磨料磨损和宏观断裂，而微观断裂是少数^[8]。宏观断裂可以产生新的切削刃，但会迅速消耗磨粒体积，从而缩短砂轮的使用寿命。

与MCBN晶粒相比，多晶CBN（PCBN）晶粒更适合于大磨削负荷和材料去除率的磨削工艺。与MCBN晶粒的均匀性和连续性不同，PCBN晶粒由微晶颗粒和AlN粘合剂组成，在高压和高温条件下烧结（图1）。由于其特殊的微观结构，PCBN晶粒获得了宏观各向异性的特性。当PCBN晶粒变钝时，微晶颗粒之间界面上的AlN粘结剂将在研磨负荷的作用下被破坏。因此，暗淡的颗粒从晶粒表面脱落。这种情况允许微裂纹使晶粒变尖，从而在很长一段时间内稳定地保持PCBN晶粒的优秀锋利度。Ichida等人^[9]通过使用超细微晶CBN颗粒和AlN粘结剂制造了PCBN晶粒。他们发现，在相同条件下，PCBN砂轮比MCBN砂轮能获得较小的磨削力和较大的磨削比。PCBN砂轮可以有效地保持锋利度。考虑到这些优点，PCBN晶粒和工具已经吸引了许多研究人员的注意，并开发了许多类别。然而，目前对PCBN晶粒的自磨现象的研究仍处于实验水平。晶粒断裂的影响因素和机制仍然需要研究。

图1 由微晶颗粒组成的PCBN晶料。（a）PCBN晶粒的结构图，（b）PCBN晶料表面的地形图。

Graham等人^[10]将一个氧化铝晶粒分成几个菱形块，并在晶粒上施加研磨载荷。用数学方法计算晶粒内部的应力分布。Jackson^[11,12]在CBN晶粒调查中应用了同样的方法，并预估了由于拉伸或压缩而产生断裂的区域。结果表明，拉伸应力水平与磨损率有关，晶粒断裂主要受拉伸应力的影响。上述研究从理论计算的角度分析了晶粒的磨损机理，但无法模拟形状复杂的晶粒的断裂情况，也无法模拟磨削过程中晶粒的连续轮廓演变。有限元分析（FEA）模拟技术在金属切削领域的应用，使得各种FEA模型在晶粒断裂研究上得以实现^[13,14]。Mei等人^[15]首先通过模拟CBN晶粒的研磨过程获得研磨力。然后，他们在相同的CBN晶粒模型上应用该力，并预测了断裂区域。通过重复模拟新形成的剖面，可以模拟出剖面的演变。结果，提供了一种新的晶粒断裂调查方法。

PCBN晶粒的微观结构与普通MCBN晶粒的微观结构有明显的差异，这种差异性的微观结构必然会影响研磨过程中的晶粒断裂。Voronoi di-agrams的形状与微晶颗粒相似；因此，PCBN晶粒的mi-结构模型可以通过Voronoi dia-grams建立^[16,17]。Alveen等人^[18-20]对由Voronoi图组成的PCBN块进行了带有初始裂纹和预定义拉伸载荷的有限元模拟。Xu等人^[21,22]获得了残余应力分布，并研究了微晶颗粒分布、嵌入深度、晶粒尺寸和研磨力对应力分布的影响。Huang等人^[16,17]从材料的角度，在粘性元素理论的基础上模拟了微晶颗粒之间的断裂和裂纹扩展。上述工作利用Voronoi图来预测断裂和应力分布，但忽略了PCBN颗粒和工件之间的动力学相互作用。

本研究建立了基于Voronoi图的PCBN晶粒模型，模拟了高速研磨过程中的晶粒断裂过程。通过迭代断裂晶粒的轮廓来预测晶粒的演变，并结合实验结果进行分析。研究了PCBN晶粒的内应力和微观结构对晶粒断裂的影响。分析了微裂纹导致的PCBN晶粒的轮廓演变和切屑形成过程，并研究了微裂纹对PCBN晶粒研磨性能的影响。该研究有助于了解高速磨削过程中PCBN晶粒的微裂纹，为开发更好的磨削工具或自磨行为的控制策略提供依据，从而提高砂轮的加工能力，延长其使用寿命。

2.基于Voronoi图的PCBN晶粒断裂的有限元分析模型

2.1.建模框架程序

在本研究中，用Abaqus 6.14软件建立了PCBN晶粒高速磨削Inconel 718镍基超级合金的二维仿真模型。图2显示了四个阶段的建模过程。

a）模型建立：定义PCBN晶粒和Inconel 718工件的几何和材料模型，并提供磨削过程模拟的其他定义。

b）计算和后处理：在模拟结果的基础上，整理出晶粒轮廓演变、应力分布和磨削力变化的数据。

c）轮廓更新：根据应力分布，删除晶粒上的受损区域，获得新的成型轮廓

d）模型调整：修改模型的一些定义，保证研磨条件不变。然后，回到b）阶段，进行新的计算，保证这个循环获得连续的断裂。

2.2.建立PCBN晶粒断裂模型

在平面磨削过程中，由于特殊的晶粒轨迹，磨削区呈楔形。在图3中，v_w为工件进给速度，v_s为砂轮转速，a_p为磨削深度，a_gmax为单粒磨中未变形切屑的最大厚度，l_c为磨削区的长度。其中，a_gmax和l_c可按以下方式计算^[23,24]。

（1）

（2）

其中ds 是砂轮的直径，是相邻两粒砂轮之间的间隔长度，是单粒砂轮的周长。在本研究中，一个边长为0.01mm的六边形模型被去掉作为PCBN晶粒模型。考虑到晶粒被金属材料嵌入，可以提供强大的保持力，六边形的三个边缘被设定为固定在钎焊的PCBN晶粒上的嵌入面^[25]。图4显示，切割边缘附近的区域被划分为Voronoi图，作为微晶颗粒，这些微晶颗粒被设定为与边界颗粒相联系。如图3所示，在单粒研磨过程中，研磨区呈楔形。为了简化模拟模型，该区域被定义为一个三角形，工件模型的建立如图5所示。

表1研磨过程的参数

一组常见的研磨参数在动力学定义中被利用。如表1中所列。使用该公式，a_gmax和l_c分别被计算为1和2毫米。理论上的长度太大相对于_gmax 。因此，它被调整为0.02毫米，单一研磨过程的时间被定义为0.25秒。为了精确模拟晶粒断裂和切屑形成的过程，微晶颗粒和工件的研磨区被网格化为CPE3T网格，这是一个3节点的平面应变热耦合三角形。其余区域被网格化为CPE4RT网格，这是一个4节点的平面应变热耦合的四边形。

图2.PCBN晶粒断裂模拟的程序设计在高速研磨过程中

图3.单粒研磨过程的方案。

图4. 单个PCBN的几何模型和网格的生成晶粒。

图5. Inconel 718超级合金工件的模型和网格生成。（a）研磨区的简化，（b）几何模型和网格生成。

表2.CBN晶粒和Inconel 718超级合金的材料特性

表3.约翰逊-库克塑性模型的Inconel 718超级合金

表2列出了材料属性。约翰逊-库克构成模型，模型被用来描述工件的塑性和失效标准工件。在一些机械性能测试的基础上，得到了一个公式得到的公式为^[29,30]。

（3）

其中是等效塑性应变，是等效的塑性应变率，为等效塑性应变率。0是参考应变率，Tmelt是熔化温度，Ttran是过渡温度Ttran是过渡温度。表3列出了其他参数本研究中使用的其他参数。在CBN晶粒和工件的表面之间设置了一个表面对表面的接触。晶粒和工件的摩擦系数定义为0.24。^[15].

2.3. 裂缝区域的预测方法

在对晶粒断裂机制的研究中，杰克逊^[10,11]指出晶粒断裂包含主

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