弱剛度結(jié)構(gòu)件切削加工殘余應(yīng)力的研究

張純喜，唐水源，盧繼平，王菲菲，龐　璐

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

弱剛度結(jié)構(gòu)件切削加工殘余應(yīng)力的研究

張純喜，唐水源，盧繼平，王菲菲，龐璐

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

摘要：弱剛度結(jié)構(gòu)件具有剛度差和材料去除量大等特點(diǎn)，加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力容易導(dǎo)致其加工變形，尤其對于精度要求高且厚度不均勻的弱剛度結(jié)構(gòu)件，更有必要研究切削加工殘余應(yīng)力的影響因素，從而為控制弱剛度結(jié)構(gòu)件的加工變形提供基礎(chǔ)。根據(jù)正交切削理論和熱彈塑性有限元理論建立了切削加工的三維有限元模型，對材料為40CrNiMo的變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了切削加工模擬，對切削過程中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元計(jì)算。通過對比不同切削參數(shù)情況下殘余應(yīng)力的分布，得到了殘余應(yīng)力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律；將變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件的加工分為二次等厚度的切削加工，通過與一次加工得到的殘余應(yīng)力進(jìn)行對比，得到了2種不同加工工序?qū)ψ兒穸热鮿偠冉Y(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：弱剛度結(jié)構(gòu)件；殘余應(yīng)力；有限元模擬

切削加工過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對零件的抗腐蝕性、疲勞壽命和尺寸穩(wěn)定性等有重要影響。為此，國內(nèi)外對切削加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行了大量的研究。Henriksen[1]是最早研究機(jī)械加工殘余應(yīng)力的學(xué)者之一，在低碳鋼上進(jìn)行了直角切削試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)械作用和熱作用結(jié)果是殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要因素。H.S.Shang[2]利用試驗(yàn)和有限元的方法對切削過程中軋制鋼板的殘余應(yīng)力變化及彎曲變形進(jìn)行了研究，指出了殘余應(yīng)力會引起加工變形，并且存在最佳的材料去除率使鋼板的彎曲變形量達(dá)到最小。R M Saoubi等[3]人利用試驗(yàn)的方法研究了刀具幾何參數(shù)和涂層以及切削參數(shù)對切削過程殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。S Y Liang等[4]人將刀具與工件的接觸簡化為滾壓接觸并建立了切削殘余應(yīng)力預(yù)測模型。國內(nèi)對于殘余應(yīng)力的研究起步較晚，但也取得了很多成果。黃志剛等[5]建立了正交切削的有限元模型，研究了殘余應(yīng)力沿層深的分布規(guī)律。王立濤等[6]利用試驗(yàn)和有限元相結(jié)合的方法得出了銑削加工過程切削參數(shù)和殘余應(yīng)力的關(guān)系式。王素玉等[7]建立了正交切削有限元模型，得出了切削速度對工件表面不同方向殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

本文通過建立變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件切削過程的三維有限元模型，研究了不同切削參數(shù)對變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律，并且對變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了2次切削，將其分為2次等厚度的切削過程，與1次切削成形進(jìn)行了殘余應(yīng)力分布的對比，得出了加工工序?qū)堄鄳?yīng)力的影響規(guī)律。

1切削加工的有限元模型

切削過程中涉及到塑性力學(xué)和斷裂力學(xué)等學(xué)科，是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，并且影響殘余應(yīng)力的因素也有很多。本文主要研究工件的殘余應(yīng)力對加工變形的影響，有限元模型對此進(jìn)行了如下假設(shè)：1)刀具是剛體，不發(fā)生變形；2)忽略加工過程中工件材料的金相組織及其他的化學(xué)變化；3)工件的材料是各向同性的。在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，基于熱彈塑性理論和正交切削理論，利用有限元軟件ABAQUS建立的變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件的切削加工有限元模型如圖1所示，刀具沿X軸負(fù)方向以給定的切削速度、在Y方向以給定的切削深度進(jìn)行切削。加工區(qū)域工件最大厚度為20 mm，最小厚度為10 mm，厚度沿X軸方向每65 mm變化1次。

圖1　切削過程的有限元模型

1.1網(wǎng)格劃分

有限元計(jì)算是一個(gè)非常耗時(shí)的計(jì)算方法，既要考慮計(jì)算效率又要考慮計(jì)算質(zhì)量，所以將整個(gè)工件劃分為網(wǎng)格密度不同的3個(gè)區(qū)域：切削區(qū)、底面區(qū)和中間過渡區(qū)。為避免產(chǎn)生切削模擬過程失真或不收斂的情況，切削區(qū)域的網(wǎng)格最密，底面區(qū)域最稀疏。同時(shí)，為避免網(wǎng)格大小變化過大導(dǎo)致網(wǎng)格畸變，設(shè)置了中間過渡區(qū)過渡。考慮到切削過程是一個(gè)熱力耦合的過程，網(wǎng)格單元采用C3D8RT的三維六面體熱力耦合單元，整個(gè)工件共劃分了158 860個(gè)單元。

1.2材料模型

為了正確反映金屬切削過程中材料在高應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫情況下的行為，本文采用Johnson-cook模型作為有限元模擬的材料本構(gòu)模型[8]：

(1)

本文所采用的材料為40CrNiMo合金鋼，其具體性能參數(shù)見表1和表2。

表1　40CrNiMo的Johnson-cook模型

表 2　40CrNiMo的材料特性參數(shù)

1.3切屑的分離準(zhǔn)則

為較好地反映材料的物理失效行為，本文采用剪切失效模型實(shí)現(xiàn)切屑從工件上分離，剪切失效模型基于等效塑性應(yīng)變在積分點(diǎn)的值，當(dāng)損傷參數(shù)達(dá)到1時(shí)，單元即失效，其失效參數(shù)定義如下：

(2)

(3)

2切削加工過程有限元仿真及結(jié)果分析

為得到切削參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，切削加工的仿真過程采用單因素法進(jìn)行分析，通過單獨(dú)改變切削速度和切削深度來研究其對加工殘余應(yīng)力的影響，切削速度主要通過改變刀具沿X軸負(fù)方向的運(yùn)動速度來實(shí)現(xiàn)，切削深度主要通過改變刀具在Y軸方向上和工件的相對位置來實(shí)現(xiàn)。殘余應(yīng)力的數(shù)據(jù)取自工件變形最大的部位(見圖2)。

圖2　加工完成后的工件及數(shù)據(jù)提取路徑

2.1切削速度對殘余應(yīng)力的影響

本文在其他切削條件都相同的情況下設(shè)置了V=6 m/min、V=12 m/min和V=18 m/min三組不同的切削速度進(jìn)行切削加工模擬，以研究切削速度對變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件的影響規(guī)律。

不同切削速度情況下殘余應(yīng)力沿路徑方向的變化情況如圖3所示。

圖3　切削速度對殘余應(yīng)力的影響

從圖3可以看出，殘余應(yīng)力在沿路徑方向上變化比較大，但隨著切削速度的增加，殘余應(yīng)力有向拉應(yīng)力增大的趨勢，這與J.C.Outeiro[9]試驗(yàn)測得的殘余應(yīng)力變化趨勢相同，從而證明了此模型的正確性。隨著切削速度的增加，切削溫度不斷升高，熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用導(dǎo)致了殘余拉應(yīng)力增大。同時(shí)，在刀具切入和切出工件時(shí)，殘余應(yīng)力發(fā)生了較大的變化，這主要是因?yàn)楣ぜ蝗患虞d和卸載導(dǎo)致的應(yīng)力集中而產(chǎn)生的。

2.2切削深度對殘余應(yīng)力的影響

在切削速度為6 m/min的情況下設(shè)置了切削深度分別為ap=2 mm、ap=4 mm和ap=6.5 mm的3種不同情況，研究了切削深度對殘余應(yīng)力的影響，殘余應(yīng)力沿路徑的變化情況如圖4所示。

圖4　切削深度對殘余應(yīng)力的影響

從圖4可以看出，切削深度分別為2和4 mm時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力變化不明顯，但增大到6.5 mm時(shí)殘余應(yīng)力有明顯的增大，而且在65和195 mm處殘余應(yīng)力都出現(xiàn)了突然增加的情況，這是因?yàn)樵谶@兩處工件厚度發(fā)生了突然的變化。還可以看出，在切出工件的時(shí)候，殘余應(yīng)力明顯隨著切削深度的增加而增加，這主要是因?yàn)榈毒咔谐龉ぜr(shí)處于工件的最大厚度區(qū)域，因此切削深度對殘余應(yīng)力的影響也較為明顯。綜合上述2種現(xiàn)象可以得出，在此切削條件下，隨著切削深度的增加，切削殘余主應(yīng)力有向拉應(yīng)力增大的趨勢，而且切削深度越大，趨勢越明顯。

2.3加工工序?qū)堄鄳?yīng)力的影響

在切削速度為6 m/min的情況下，將變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件進(jìn)行二次切削，使加工變?yōu)槎蔚群穸鹊那邢鬟^程。首先，將最大厚度處切除10 mm，使工件加工區(qū)域變?yōu)榈群穸葏^(qū)域；然后，以切削深度為6.5 mm的切削條件進(jìn)行切削，將最終的殘余應(yīng)力分布與一次切削成形的工件殘余應(yīng)力分布進(jìn)行比較，得到2種情況下殘余應(yīng)力沿路徑的變化情況(見圖5)。

圖5　加工工序?qū)堄鄳?yīng)力的影響

從圖5可以看出，將變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件進(jìn)行二次等厚度切削，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與一次切削相比波動幅度較小，說明變厚度切削容易引起殘余應(yīng)力的不均勻分布。從最終產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的大小來看，2種加工工序相差無幾，所以將變厚度弱剛度結(jié)構(gòu)件變?yōu)榈群穸惹邢鬟^程可以產(chǎn)生較為均勻的殘余應(yīng)力分布，但并不能有效地減小切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

3結(jié)語

通過對上述不同加工條件下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，可以得出下述結(jié)論：1)隨著切削速度的增加，殘余應(yīng)力有向拉應(yīng)力方向增大的趨勢；2)當(dāng)切削深度較大時(shí)，隨著切削深度的增加，殘余應(yīng)力有向殘余拉應(yīng)力增大的趨勢，當(dāng)切削深度較小時(shí)，此趨勢不明顯；3)厚度不均勻的弱剛度結(jié)構(gòu)件在切削過程中，將其變?yōu)榈群穸惹邢鞯募庸すば蚩梢援a(chǎn)生分布較為均勻的殘余應(yīng)力，但對于殘余應(yīng)力的大小影響并不明顯。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

Research on Cutting Induced Residual Stress of Weak-rigidity Parts

ZHANG Chunxi, TANG Shuiyuan, LU Jiping, WANG Feifei, PANG Lu

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:The cutting induced residual stress of weak-rigidity parts has great influence on part distortion, especially those parts that have high precision and uniform thickness. It is necessary that studying the influence factor on residual stress imparted by machining to provide methods to control the weak-rigidity parts distortion. The finite element model (FEM) of cutting process was established based on orthogonal cutting theory and thermal-elastic-plastic finite element theory. The cutting process of the weak-rigidity part of uneven thickness whose material is 40CrNiMo was simulated and the cutting induced residual stress was computed. The influence rules of cutting parameters on residual stress were obtained by comparing the different residual stress distribution coming from different cutting parameters. The weak-rigidity part with uneven thickness was simulated by twice even cutting depth, so the different cutting process influence rules on the part were obtained by comparing the one cutting process.

Key words:weak-rigidity parts, residual stress, finite element simulation

收稿日期：2014-06-25

作者簡介：張純喜(1989-)，男，碩士研究生，主要從事先進(jìn)加工技術(shù)及生產(chǎn)系統(tǒng)等方面的研究。

中圖分類號：TH 164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A