材料去除过程中Rehbinder效应的研究进展.pdf
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1、Feb.CHINASURFACGINEERING20242024年2 月No.1Vol.37国面中表第3 7 卷第1 期程doi:10.11933/j.issn.1007-9289.20220227001材料去除过程中Rehbinder效应的研究进展邱天1.2 言兰2,3王福增1,2谢鸿4税妍4张涛姜峰1,21,2(1.华侨大学制造工程研究院厦门361021;2.高性能工具全国重点实验室厦门361021;3.华侨大学机电及自动化学院厦门361021;4.东方汽轮机有限公司德阳618000)摘要:精密机械加工过程中,利用Rehbinder效应对工件表面特性的影响,可以更好地控制零件表面质量。不同
2、工程材料的Rehbinder效应的微观表现形式有所差异,但宏观结果都是降低工件表面硬度,使材料去除过程更容易进行。回顾了Rehbinder效应概念的提出和发展过程并对其内涵和应用范围进行了阐述,为加工过程中的材料去除方法提供思路,对材料表面完整性的形成具有指导意义。列举了近年来科研人员对Rehbinder效应的相关研究成果,分析对比其在硬脆材料和塑性材料加工过程中的表现形式和微观作用机理,总结Rehbinder效应的影响因素,如极性分子的吸附活性、工件材料的晶粒尺寸等。揭示了Rehbinder效应中极性分子的吸附作用,以及吸附作用后的扩散、位错和间隙三种促进机制,并综述离散元法、有限元法和分子
3、动力学等数值仿真方法对宏观尺度和微观尺度Rehbinder效应机理的研究。Rehbinder效应可以看作是一种对加工表面的改性机制,研究Rehbinder效应作用下的表面活性剂与被加工表面的匹配机制是提高材料表面完整性的关键,对推动精密制造工艺的发展有重要意义。关键词:材料去除;Rehbinder效应;机械加工;数值仿真中图分类号:TH16;T G 50 6Research Advances of Rehbinder Effect in Material Removal ProcessQIU Tian 11,2YAN Lan2,3WANG Fuzeng1,2XIE Hong4SHUI YanZ
4、HANG Tao I,2JIANGFeng1,24(1.Institute of Manufacturing Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China;2.State Key Laboratory of High Performance Tools,Xiamen 361021,China;3.College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Xiamen 361021,China;4.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang
5、618000,China)Abstract:The Rehbinder effect on the surface characteristics of the workpiece can be utilized to enable better control of the surfacequality of the parts in precision machining processes.The microscopic manifestation of the Rehbinder effect varies among differentengineering materials,bu
6、t the macroscopic result is the reduction of the surface hardness of the workpiece,making the materialremoval process easier to proceed.A systematic review of the conceptualization and development process of the Rehbinder effect is基金项目:国家重点研发计划(2 0 2 3 YFB3407200)。Fund:National Key Research and Deve
7、lopment Program of China(2023YFB3407200).收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 7;修改日期:2 0 2 3-0 7-1 8;接受日期:2 0 2 3-1 0-0 9;上线日期:2 0 2 3-1 2-1 5。Received February 27,2022;Revised July 18,2023;Accepted in revised form October 9,2023;Available online December 15,2023.引用格式:邱天,言兰,王福增,等。材料去除过程中Rehbinder效应的研究进展 .中国表面工程,2 0 2
8、 4,3 7(1):59-7 4.Citation format:QIU Tian,YAN Lan,WANG Fuzeng,et al.Research advances of Rehbinder ffect in material removal processJ.China Surface Engineering,2024,37(1):59-74.(in Chinese)60面中2024年表程国presented,and its expressions and applications are elaborated,which can provide a way for the mater
9、ial removal method duringprocessing and have a guiding significance for the formation of material surface integrity.The relevant findings of researchers on theRehbinder effect in recent years are listed,both brittle materials and plastic materials,can be removed easily in machining process byutilizi
10、ng the Rehbinder effect.However,the expressions of the Rehbinder effect are different for different materials.Forpolycrystalline hard and brttle materials such as rocks,surface active additives adsorbed on the surface of the workpiece enter themicro-cracks and continue to penetrate when there are mi
11、cro-cracks on the material surface.Surface active additives can promote theexpansion of micro-cracks to accelerate the mechanical damage of the structure.For single crystal hard and brittle materials such assilicon carbide and sapphire,surface active additives adsorbed on the material surface underg
12、o a chemical reaction with the workpiece.The lower hardness of the reaction products makes the material easier to machine.For plastic materials such as metals,the role of theRehbinder effect is also related to the grain size and dislocation density of the material.The mechanism of the Rehbinder effe
13、ct can bedemonstrated in the macroscopic and microscopic performance in the machining process.The factors that affect the Rehbinder effect suchas the adsorption activity of polar molecules and the grain size of the workpiece material are summarized.The Rehbinder effect occurs onthe premise that pola
14、r molecules adsorb on the surface of the workpiece.The diffusion,dislocation,and interstitial mechanisms generatedby the Rehbinder effect reduce the surface strength of the workpiece further.Related mechanisms of the Rehbinder effect evaluated bynumerical simulation methods are reviewed.The discrete
15、 element method can be used to analyze the mechanical processes in rocks,butthere are limitations in the analysis of the Rehbinder effect.The finite element method is an important tool for simulating the deformationand removal processes of plastic materials.Some scholars have investigated the Rehbin
16、der effect through the finite element method bymodifying the fracture energy,elastic modulus or yield stress of different phases/grains in the ink-affected layer,and finding changes inthe chip morphology.Because of the difficulty in modeling the adsorption of the surface active additives on the surf
17、ace of materials andthe diffusion in cracks,most of the current studies have simulated the adsorption by the surface modification of the material and have notinvolved penetration and diffusion.Molecular dynamics simulations can be adopted to evaluate the mechanism of the Rehbinder effect atsmaller s
18、cales.The results show that the water molecule can improve the surface quality in precision and ultra-precision machining with asmall amount of material removal as a kind of polar molecule,which is a manifestation of the Rehbinder effect.The combination of theexperimental phenomena and simulation re
19、sults can be effectively explained for the mechanism of the Rehbinder effect.The Rehbindereffect can be regarded as a modification mechanism for the machined surface.The study of the matching mechanism between surfactantand machined surface under the action of Rehbinder effect is the key to improvin
20、g the material surface integrity,which is significant forpromoting the development of precision manufacturing process.Keywords:material removal;Rehbinder effect;machining;numerical simulation0前言1928年,REHBINDER发现表面活性物质能够降低晶体的表面能,从而降低晶体的硬度,使其更容易断裂。1 9 3 6 年,REHBINDER进一步发现极性分子会影响大多数工程材料的表面变形和裂纹扩展,提出表面活
21、性物质(如酒精)会被工程材料的微裂纹吸收,促进裂纹的扩展,润湿后材料的表面强度会降低,从而更容易发生变形。极性分子的吸附作用导致工件表面的强度和硬度降低,从而使工件材料更容易去除的现象被称为“Rehbinder”效应。无论是材料的切削加工,还是粉体材料的研磨,都可以利用Rehbinder效应对工件表面特性的影响,获得质量更高的零件或产品。随着超精密加工技术的发展,在微观尺度上表面效应对材料变形、材料去除及表面完整性有着更加显著的影响。当Rehbinder效应发生在微观尺度时,其定义可以作进一步扩展:表面活性物质吸附在工件表面,使材料发生一定程度的物理损伤,降低工件表面强度。如果在岩石和塑性材料
22、的加工过程中工件表面存在微裂纹,吸附在工件材料表面的表面活性物质会进入微裂纹并继续渗透,促进工件表面的微裂纹扩展,加速组织结构的机械破坏 2 ,进而减小加工过程中的作用力,使材料更容易去除。该过程可以用式(1)Griffith方程 3 进行解释,极限断裂应力随着表面自由能的减小而减小,随着初始裂纹长度的增大而减小。g,=const(1)L。S式中,是断裂的极限应力;E是弹性模量;是定义可进一步扩展为新产生裂纹表面的自由能;L。61邱天,等:材料去除过程中Rehbinder效应的研究进展第1 期是裂纹的初始长度。当Rehbinder效应发生在纳观尺度时,表面活性物质吸附在工件表面,分子原子间化学
23、反应成键形成新的物质,从而使材料发生一定程度的改性,而传统观念认为纳米尺度下材料的去除只是键断裂的宏观物理表现,与化学反应无关 4。本文的逻辑结构图如图1 所示,接下来分别从Rehbinder效应在硬脆材料和塑性材料去除过程中的表现形式进行总结,并分析其作用机制。Rehbindereffectinmaterial removalprocessExpressionsMechanismSimulationAdsorptionHardMolecularFiniteandPlasticdynamicselementbrittlematerialsDiffusionmethodmethodmateria
24、lsDislocationInterstitialSingle crystallinePoly crystallineDiscreteelementmethod图1本文逻辑结构图Fig.1Logical structure diagram of this paper1Rehbinder效应在机械制造过程中的典型表现形式1.1硬脆材料去除过程中的Rehbinder效应Rehbinder效应会降低硬脆材料的硬度、屈服强度和拉伸强度等力学性能。在硬脆材料的实际加工过程中,同样可以利用Rehbinder效应来减少加工中的作用力,使加工更容易进行,以及获得更好的表面质量。WESTWOOD5发现,表面活性
25、物质可以促进岩石、矿物、有机晶体、金属、陶瓷、玻璃和聚合物的断裂行为。2 0 世纪40 年代,SHREINER 等 6 对岩石钻孔时发现,向冲洗液中添加表面活性剂会导致岩石表面软化,从而提高钻孔效率。例如,浓度为0.0 1%的氯化铝溶液可以使石英岩中的钻孔速度提高6 5%;对于花岗岩,浓度为0.0 5%的氯化铝溶液可以使钻孔速度提高3 5%。然而,SELIM等 7 用金刚石钻头对石英岩钻孔时,发现有机添加剂能有效地提高金刚石钻头的钻速和使用寿命,但是不能证明添加剂降低了岩石的表面强度。COOPER8也认为醇类添加剂可以在一定程度上减缓钻头的磨损,从而提高钻孔效率。STOXREITER等 9 研
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