可加工陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（三）

   上篇文章可加工陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（二）

    方法論：圖 1 顯示了當(dāng)前研究中使用的方法的概述。首先 MACOR是有康寧公司生產(chǎn)的可加工陶瓷，其次，用掃描電子顯微鏡 (SEM) 檢查微鉆并測(cè)量幾何特征。測(cè)量的邊緣半徑用于對(duì)正交切削的有限元模型的切削刀具進(jìn)行建模。獲得了具有應(yīng)變率相關(guān)粘塑性材料模型的各向同性熱彈塑性材料模型的材料常數(shù)，并將其實(shí)施到正交切割的有限元模型中。正交切削的有限元模型用于預(yù)測(cè)切削過(guò)程的機(jī)理。

    必須提到的是，正交切削的有限元模型已被用于預(yù)測(cè)微車削和微銑削中的切削力。在微孔加工中，正交切削的有限元模型只能考慮切削刃處的切削力，而不能考慮高縱橫比下鑿唇和摩擦的影響。提出了一種稱為穩(wěn)定峰值頻率 (SPF) 的新方法，該方法可識(shí)別穩(wěn)定的微型鉆孔參數(shù)（進(jìn)給率和主軸速度）。該方法需要將微型鉆頭振動(dòng)的固有頻率作為輸入。固有頻率是通過(guò)模態(tài)動(dòng)態(tài) FEA 獲得的，其中工具幾何形狀與用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和生產(chǎn)的微型鉆頭相同。最后，通過(guò)鉆孔直徑為 100 μm、縱橫比為 10 來(lái)制造掃描液滴系統(tǒng)的噴嘴。 

圖 1、方法論概述

     Macor 切割操作的材料模型
切削操作中常用的本構(gòu)材料模型將流動(dòng)應(yīng)力描述為塑性應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度和其他機(jī)械性能（例如硬度、位錯(cuò)、微觀結(jié)構(gòu)等）的函數(shù)。 Johnson-Cook (JC) 本構(gòu)材料模型是切割操作中使用最廣泛的材料模型之一（Johnson 和 Cook，1983）。 JC 模型是一種各向同性的熱彈塑性，具有應(yīng)變率和溫度相關(guān)的粘塑性（見(jiàn)方程（1）） 

     其中T 是參考溫度， Tr 是轉(zhuǎn)變或室溫， Tmelt 是熔化溫度， A 是初始屈服應(yīng)力， B 是硬化模量，n 是硬化指數(shù)，C 是應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)，m 是熱軟化系數(shù)。

     JC 材料模型已廣泛用于使用 2D 和 3D 有限元模型對(duì)切削力、切屑形成和殘余應(yīng)力進(jìn)行建模，如 Ulutan 和 Ozel（2011 年）所述。此外，Jin 和 Altintas (2011) 使用 JC 材料模型使用滑移線理論在微觀尺度上預(yù)測(cè)正交切削的切削力。 JC 材料模型還可用于應(yīng)變率是重要因素的各種應(yīng)用。

     JC 模型主要用于加工具有高應(yīng)變和應(yīng)變率的材料。由于其經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，該模型還可用于描述低應(yīng)變下應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率之間的關(guān)系。本節(jié)的主要目的是獲得方程的材料常數(shù)。 (1) 對(duì)于 Macor，需要在不同的加載條件、應(yīng)變率和溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 Chen (1995) 在不同的加載條件和高達(dá) 3600 s-1 的應(yīng)變率下對(duì) Macor 使用了改進(jìn)的分裂霍普金森 (Kolsky) 壓力棒測(cè)試。已經(jīng)觀察到微裂紋的大量傳播和相互作用被認(rèn)為發(fā)生，如接近失效的切線模量的非常低的值所表明的。

     在 Macor 上的單軸測(cè)試實(shí)驗(yàn)中也觀察到了非彈性變形。在所有獲得破壞強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)中，試樣都被軸向劈裂。觀察到碎片尺寸隨著應(yīng)變速率的增加而減小，表明同時(shí)傳播的裂紋數(shù)量隨著應(yīng)變速率的增加而增加。此外，測(cè)得的失效前毒物比的平均值為 0.21。泊松比一直保持相對(duì)恒定，直到發(fā)生微裂紋成核和生長(zhǎng)時(shí)非常接近失敗。微裂紋主要出現(xiàn)在玻璃相和結(jié)晶相之間的界面以及三重晶界結(jié)處。此外，微裂紋在顯微照片的平面上似乎是隨機(jī)取向的，并且是均勻分布的。 （未完待續(xù)）