干式銑削對淬硬鋼表面殘余應(yīng)力的影響研究

唐德文，何宇航，王利偉，唐海龍

(1.南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.湖南省核燃料循環(huán)技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 421001)

1 引言

隨著現(xiàn)代高速加工技術(shù)快速發(fā)展，加上超硬質(zhì)合金材料和耐熱、耐磨損涂層的出現(xiàn)，干式硬銑削可直接用于加工淬硬剛及硬質(zhì)合金材料，取代了傳統(tǒng)的加工方法[1]。干式銑削可以大幅度的提高加工效率，簡化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，也減少了環(huán)境的污染，被稱為了一種綠色的加工工藝[2]。其在加工過程中需要配備優(yōu)良的切削刀具、機床以及相應(yīng)的輔助設(shè)備來降低切削過程中產(chǎn)生的熱量、潤滑刀具、保證切屑順暢排出等條件[3]。SKD11淬硬冷作模具鋼和國內(nèi)高碳、高烙的Cr12MoV合金鋼相似，其碳含量通常在(1.1～1.6)%之間[4]。冷作模具剛常被應(yīng)用于摩擦力與壓應(yīng)力高的工作環(huán)境，因此要求材料具有硬度高(高達58HRC以上)、強度大、耐磨性好的特性。SKD11材料由于其內(nèi)部含有大量馬氏體組織和高的含碳量，使得該材料具備硬度高，耐磨性和淬透性好，韌性優(yōu)良等特點，可用于冷沖壓模、冷鍛模、成形軋輥等[5-6]。

金屬切削加工過程常常伴隨著高溫、高壓、高應(yīng)變率的塑性變形的物理變化，其對加工后材料表面的性能會產(chǎn)生重大影響，使材料表面產(chǎn)生殘余拉-壓兩種不同應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小、特點、及分布情況會對材料的耐用度，疲勞強度和抗腐蝕性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，同時材料幾何形狀的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響[1]。現(xiàn)階段，從理論上直接對殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理進行研究還存在一定的難度，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是一種比較復(fù)雜熱-力耦合的熱彈性過程，主要受切削參數(shù)、機床設(shè)備精度、切削溫度、切削力、刀具幾何參數(shù)、加工方法等因素的影響；從加工表面形成的過程進行分析，引起殘余應(yīng)力的三個主要原因是機械應(yīng)力、熱應(yīng)力、金屬相變[7]。

以高硬度的SKD11淬硬鋼為研究對象，利用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型建立有限元二維正交切削模型，將切削實驗數(shù)據(jù)作為參考對模型進行驗證和修正；并利用正確仿真模型分析不同切削參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響情況，對其產(chǎn)生原因進行分析，得出適當(dāng)?shù)臏p小切削速度和增大切削深度，可以有效的降低殘余應(yīng)力對SKD11淬硬鋼表面加工質(zhì)量的影響。

2 切削加工試驗

在高速切削加工過程中，對于難加工的超硬質(zhì)材料，一般使用涂層刀具和硬質(zhì)合金等刀具，其刀具價格昂貴，對于材料切削特性研究實驗成本較高。因此采用實驗和仿真對比驗證的方法，簡化實驗，設(shè)計同參數(shù)多組切削實驗，為后面模型的建立提供參考依據(jù)。

試驗條件本試驗對SKD11淬硬鋼進行干式銑削加工，工件形狀呈長方體(330×60×10)mm，材料的物理性能，如表1所示。實驗選用機床為南通V600數(shù)控立式銑削加工中心，其主軸轉(zhuǎn)速為(0～8000)r/min，進給速度為(0～5)m/min。刀具選用螺旋角為30°的右旋TiAlN涂層的四刃平底銑刀進行切削實驗(HM-D10-4E)，刀具總長為75mm，刀具直徑為10mm，如圖1所示。本實驗切削參數(shù)設(shè)置為切削速度vc=300m/min，每齒進給量fz=0.05mm/z，切削深度ap=0.2mm徑向切削寬度ae=8mm。

圖1 30°螺旋角右旋涂層(TiAlN)四刃平底銑刀Fig.1 130 Degree Spiral Angle Right-Hand Coating(TiAlN)Four Edge Fat End

表1 SKD11淬硬鋼的物理性能Tab.1 Physical Properties of SKD11 Hardened Steel

表2 刀具材料參數(shù)Tab.2 Tool Material Parameters

殘余應(yīng)力測量 在測量上利用球形壓痕法殘余應(yīng)力測量裝置來測量試樣表面的殘余應(yīng)力，如圖2所示。對于材料淺表層殘余應(yīng)力的測量，如圖3所示。利用電化學(xué)腐蝕模擬金屬表面剝層的方法，將試樣的表層逐層剝除，同時逐層對其表面進行測量。

圖2 壓痕法殘余應(yīng)力測量裝置Fig.2 Indentation Residual Stress Measuring Device

圖3 殘余應(yīng)力實驗數(shù)據(jù)測量(距表面約55um)Fig.3 Measurement of Residual Stress Experimental Data(About 55um From The Surface)

3 建立切削有限元模型

二維切削仿真幾何模型 在金屬切削模型中二維正交模型是比較常用的有限元分析模型，其應(yīng)用廣泛，可幫助分析金屬切削的內(nèi)在機理，減少了切削實驗成本，降低實驗時間，是研究切屑形態(tài)、切削力、殘余應(yīng)力、刀具磨損等加工參數(shù)優(yōu)化的有效工具[7]。采用商業(yè)軟件DEFORM-2D進行有限元數(shù)值分析[8]，建立的二維正交切削仿真模型，也被稱為簡化后的物理模型和正交切削模型，切削時模型變形只發(fā)生在與切削刃垂直的平面內(nèi)。參數(shù)設(shè)置中切削寬度大于切削厚度的五倍，所以模型又可以簡化為平面應(yīng)變的問題。模型工件材料設(shè)置為理想的熱彈塑性體，同時材料內(nèi)部滿足均勻連續(xù)、各向異性、且遵循Miss屈服準(zhǔn)則，切屑流動過程滿足連續(xù)且穩(wěn)定的特點；其工件形狀簡化成長方形，幾何尺寸為(5.5×2.5)mm。

為避免刀具磨損對實驗結(jié)果的影響，其刀具模型設(shè)置為鋼體，將刀具視作為零磨損。在進行材料切削實驗時，每一個試樣采用新刀具進行切削，該方法主要是為了減小刀具磨損，減小實驗和模型的誤差。

材料本構(gòu)模型金屬切削是一個高應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫的過程[1]，在分析殘余應(yīng)力時，一般采用Johnson-Cook(JC)材料本構(gòu)模型[9-10]，其模型表達式如下所示：

式中：A—準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強度；B—材料硬化模量；—等效塑性應(yīng)變；n—材料硬化指數(shù)；C—材料應(yīng)變強化參數(shù)；˙—等效塑性應(yīng)變率；—準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率；Tr—參考力學(xué)溫度；Tm—材料熔點熱力學(xué)溫度；m—材料熱軟化系數(shù)。

表3 SKD11淬硬鋼的J-C本構(gòu)模型參數(shù)Tab.3 J-C Constitutive Model Parameters For SKD11 Hardened Steel

二維干式切削仿真過程 模擬切削過程中為了獲得準(zhǔn)確的加工表層殘余應(yīng)力的數(shù)值信息，模擬過程須遵循加工、退刀、冷卻、解除約束四個階段[4]。在加工階段刀具沿著X軸的負(fù)方向以給定的切削速度做直線運動，直到進入切削穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4(a)所示。在退刀階段刀具沿著于X軸正方向成30°的直線方向以一定的速度退離刀切削區(qū)域外，此階段主要是消除刀具對工件應(yīng)力的影響，如圖4(b)所示。在冷卻階段，為使模擬實驗接近實際環(huán)境中工件冷卻至常溫的過程，來消除切削溫度對工件應(yīng)力-應(yīng)變的影響，需提高模型的運算時間，并加大模型的運算步長，如圖4(c)所示。在解除接觸階段，此階段將解除工件在加工區(qū)的邊界約束條件，使工件材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)能夠自由伸展，其解除邊界條件是為了消除外界約束對加工表面應(yīng)力和應(yīng)力分布的影響，如圖4(d)所示。

圖4 二維銑削模擬加工應(yīng)力分布圖(a，b，c，d四個階段)Fig.4 Diagram of Simulated Machining Stress Distribution in Two-Dimensional Milling(Four Stages of a，b，c And d)

4 分析與討論

正常情況下，加工后的金屬表面上的殘余應(yīng)力一般分布在材料淺表層，本模擬實驗主要對距表層0.5mm深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力進行分析，分析過程利用Deform-2D/3D Post軟件后處理程序?qū)δＰ头抡娼Y(jié)果進行處理。二維模擬切削過程中，由于刀具沿x軸方向進行切削，因此容易引起工件加工表面材料產(chǎn)生沿x軸方向的應(yīng)力，而沿y軸方向的應(yīng)力較小，所以這里也主要對x軸方向的殘余應(yīng)力進行分析。

4.1 切削速度對殘余應(yīng)力的影響

不同深度l(距離切削表層深度)下材料表面殘余應(yīng)力的分布情況，圖中由空心圖標(biāo)連接起來的四條曲線表示的是四種不同切削速度(其分別為100m/min、200m/min、300m/min、400m/min)在切削深度為0.2mm的殘余應(yīng)力分布曲線，實心圖標(biāo)連接起來的曲線表示的是切削速度在300m/min時實驗測量得的殘余應(yīng)力，如圖5所示。從圖5中可以看出，實驗和仿真得出殘余應(yīng)力分布曲線的變化趨勢相同，其形狀成“勺”字型，且距表面深度在(0～0.1)mm范圍內(nèi)時，殘余應(yīng)力曲線下降速率較大；對比切削速度在300m/min的實驗和仿真結(jié)果得出仿真誤差小于16%，因此可以判斷模擬比較準(zhǔn)確。

開始時四種不同切削速度對應(yīng)的殘余應(yīng)力曲線初始值都為正(零線以上)，且切削速度越大對應(yīng)的初始?xì)堄鄳?yīng)力的值也越大，說明此時殘余應(yīng)力為沿X軸方向拉應(yīng)力。隨著深度l的增大，其殘余應(yīng)力逐漸減小至零線以下，拉應(yīng)力逐漸向壓應(yīng)力開始變換，四條仿真曲線在l＜0.1mm區(qū)域時完成拉-壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，且殘余拉應(yīng)力逐漸增大。切削速度從100m/min增至400m/min，表面殘余應(yīng)力值也從389MPa增大到594MPa，說明提高切削速度時，雖然使切削力減小，但是單位時間內(nèi)刀具端刃對工件的碾壓和摩擦的作用增強了，材料表層溫度升高，導(dǎo)致材料表層塑性變形能力增大；材料內(nèi)部的壓應(yīng)力也逐漸增大，其增大原因是切削溫度的升高使得材料切削變形增大，熱應(yīng)力和機械應(yīng)力對材料的影響深度增大，內(nèi)部殘余應(yīng)力影響也增大。從圖像也可以看出在切削力越大時殘余應(yīng)力曲線下降越快，其材料內(nèi)部殘余壓應(yīng)力值也越大。

在深度l＜0.2mm區(qū)域時，殘余應(yīng)力達到最大值，說明此深度范圍內(nèi)材料內(nèi)部變形最為嚴(yán)重。但隨著l逐漸增大時，材料內(nèi)部壓應(yīng)力開始減小，最后在l=0.5mm時基本趨近于0線(殘余應(yīng)力為零)，說明此時工件內(nèi)部已經(jīng)停止變形。

綜上所述，控制其他因素不變情況下，高速銑削SKD11淬硬鋼材料時，切削速度的提高會增大工件表面殘余拉應(yīng)力和內(nèi)部最大殘余壓應(yīng)力的數(shù)值，但是卻降低了材料變質(zhì)層的深度l。

圖5 不同切削速度下表面殘余應(yīng)力分布曲線(ap=0.2mm)Fig.5 Surface Residual Stress Distribution Curves at Different Cutting Speeds(ap=0.2mm)

4.2 切削深度對殘余應(yīng)力的影響

圖6描述了不同深度l下材料表面殘余應(yīng)力的分布情況，圖中空心圖標(biāo)連接起來的四條曲線表示的是在四種切削深度(其分別為0.2mm，0.4mm，0.6mm，0.8mm)在切削速度為200m/min的殘余應(yīng)力分布曲線，在材料表面(l=0mm)，殘余應(yīng)力主要是拉應(yīng)力，且隨著切削深度的增大其表面殘余拉應(yīng)力也減小；當(dāng)l不斷增大時，在l＜0.1mm時其殘余拉應(yīng)力逐漸減小，最后在0.1mm附近達到0線處(殘余應(yīng)力為零)，此時拉-壓應(yīng)力開始轉(zhuǎn)換。在l為(0.1～0.2)mm范圍內(nèi)時，殘余壓應(yīng)力數(shù)值達到最大值，之后隨著l的增大其殘余拉應(yīng)力開始減小，在l=0.5mm附近逐漸趨近于零，其材料內(nèi)部變形也基本結(jié)束。切削深度從0.8mm減小至0.2mm，表層殘余拉應(yīng)力從63MP增大至420MPa，材料內(nèi)部殘余壓應(yīng)力從-70MPa增大至-208MPa；因此從圖像可以看出殘余應(yīng)力曲線變化速率越小時，殘余應(yīng)力對材料內(nèi)部的影響越小，且材料內(nèi)部變質(zhì)層深度也越小。

造成上述這一現(xiàn)象的原因是：切削深度對加工材料表面溫度影響效果不同，切削深度越大，其切削帶走的切屑就越多，帶走的切削熱的比例也就越大，使得材料表面溫度相對降低，其塑性變形也就越小，熱應(yīng)力和機械作用力對材料表面影響程度也越小，反之，影響程度就越大。同時，切削深度增大時對材料的切削力也就增大，刀具后刀面對加工表面的擠壓也增大，刀具對材料的力學(xué)影響程度就越大。結(jié)合這兩點進行分析可知，刀具對工件的力學(xué)影響程度遠(yuǎn)小于切削熱對材料表面應(yīng)力影響程度，所以隨著切削深度增大時，熱應(yīng)力影響作用減小，材料塑性變形程度減小，表面殘余拉應(yīng)力及內(nèi)部壓應(yīng)力就越小，材料內(nèi)表層影響深度l也就越小。

綜上所述，在一定條件下，適當(dāng)?shù)脑龃笄邢鲗由疃龋梢杂行У慕档蜌堄鄳?yīng)力對材料表面的影響程度，材料內(nèi)部塑性變形的影響深度也相對減小。

圖6 不同切削深度下表面殘余應(yīng)力分布曲線(v=200m/min)Fig.6 Surface Residual Stress Distribution Curves under Different Cutting Depths(v=200m/min)

5 總結(jié)

(1)利用商業(yè)軟件DEFORM-2D建立了SKD11淬硬鋼材料干式切削仿真模型，通過實驗驗證的方法，設(shè)計相同的實驗和仿真試驗條件，對實驗數(shù)據(jù)分析驗證得出仿真模型的正確性(誤差小于16%)。(2)切削深度一定時，適當(dāng)?shù)脑龃笄邢魉俣龋瑔挝粫r間內(nèi)刀具對工件的擠壓和摩擦效應(yīng)增強，導(dǎo)致材料表面殘余拉應(yīng)力增大，但卻降低了材料變質(zhì)層的深度l。(3)切削速度一定時，適當(dāng)?shù)脑龃笄邢魃疃龋梢杂行У慕档蜌堄鄳?yīng)力對材料表面的影響程度，其材料內(nèi)部塑性變形的影響深度l也相對減小。