304 不銹鋼大型零件切削殘余應力分析與預測優化

姚碩，陳志英，張瑩，曹峰華，孫彥

（1.201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院；2.201620 上海市 上海工程技術大學 材料工程學院；3.200245 上海市 上海電機學院 機械學院）

0 引言

304 奧氏體不銹鋼具有優良的韌塑性、抗氧化性、耐蝕性和機械性能，廣泛應用于航空制造業、交通、核工業、醫療、建材、化工和食品加工等領域[1-4]。但是304 不銹鋼傳熱系數低，切削過程中散不去的切削熱產生熱變形和熱應力，導致殘余應力的產生，而大型零件尺寸較大，切削時易受殘余應力影響而變形，甚至開裂，這會降低制造精度，影響成品件的質量。因此，研究如何降低304 不銹鋼大型零件切削過程中產生的殘余應力能成了一個迫切需要解決的問題。

Peng 等[5]研究了304 不銹鋼在低溫下切削殘余應力的變化，采用DEFORM-3D 通過對不同溫度下車削過程的模擬，發現低溫切削可以增加切削過程中的切削力，減小切削過程中工件表面的溫差；Kanakaraju 等[6]對回轉體的疲勞壽命進行了研究，通過有限元分析軟件ABAQUS 進行仿真，探討了車削過程中切削速度、刀具前角、刀尖半徑、進給量和刀具間距對表面殘余應力的影響，并使用田口方法進行切削參數的優化；覃孟揚[7]以45 鋼為研究對象，研究了預應力切削對殘余應力的影響，結合實驗和DEFORM-3D 仿真的結果，發現增加預應力可以加大殘余壓應力；杜浩等[8]采用AdvantEdge，對鎳基合金GH4169 的二維車削過程進行了模擬，分析了切削深度等參數對鎳基合金GH4169 表面殘余拉應力的影響。通過上述研究進展可以發現，目前對于切削殘余應力的研究主要集中在探討切削工藝參數對殘余應力的影響，并進行優化設計。

本文以電站的304 不銹鋼大型封頭件車削產生的表層殘余應力為研究對象，工件尺寸如圖1 所示，分析已加工表面應力場的分布規律，研究了3 個切削參數(切削速度、切削深度、進給量)和2 個刀具參數（刀具前角和刀具后角）對表層殘余應力的影響，進行了優化設計，為實際工程應用提供了相應解決方案，對提高工件的加工精度、切削質量、可靠性等具有指導意義。

圖1 工件尺寸圖Fig.1 Workpiece size diagram

1 工件材料與模型

1.1 工件材料

本文選用的實驗材料是304 不銹鋼，材料的化學成分如表1 所示，材料基本參數如表2 所示。

表1 304 不銹鋼化學成分(wt/%)Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel

1.2 本構模型

Johnson-Cook 本構模型因能較好地描述金屬材料在切削加工高應變速率下的應變硬化效應、應變速率硬化效應和材料熱軟化效應，且相對而言形式較簡單，參數容易獲取，所以在金屬切削加工數值仿真中得到普遍應用。

Johnson-Cook 材料本構模型可表示為

304 不銹鋼Johnson-Cook 本構參數如表3 所示。

表3 304 不銹鋼Johnson-Cook 本構參數Tab.3 Johnson-Cook constitutive parameters of 304 stainless steel

1.3 切屑分離準則

切屑分離準則采用基于Johnson-Cook 斷裂方程的應變分離準則，它適用于金屬在高溫、高應變率下的變形，表達式為

304 不銹鋼的J-C 模型失效參數如表4 所示。

表4 304 鋼Johnson-Cook 失效模型參數Tab.4 Johnson-Cook failure model parameters of 304 steel

2 二維正交切削有限元模型

目前很多有限元軟件都能實現切削加工的仿真，其中AdvantEdge 能夠相對較好地實現對切削過程中殘余應力的仿真，故本文選用AdvantEdge進行仿真實驗。

基于切削加工理論和有限元方法，將三維斜角切削過程簡化為二維正交直角切削問題，在AdvantEdge 軟件中建立正交切削模型，完成車削表面殘余應力的建模和計算，進行動態切削過程和已加工表面殘余應力的數值仿真。刀具模型在前處理階段建立，設置為剛體。刀具尺寸長為5 mm，高為2 mm，如圖2 所示。

圖2 切削有限元模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of cutting finite element model

3 切削工藝參數對殘余應力的影響

切削殘余力量的產生機理比較復雜，歸根結底主要為不均勻機械擠壓引起的變形；熱應力影響產生的不均勻變形；不均勻的組織相變過程引起的晶格畸變3 種情況。而影響切削殘余應力的因素有很多，其中主要影響因素有：工件材料、切削參數和刀具參數[9]。

為了研究單因素參數對304 不銹鋼大型零件殘余應力的影響規律，將3 個切削參數(切削速度、切削深度、進給量)，2 個刀具參數（刀具前角和刀具后角）作為因素，采用控制變量法，結合實際加工參數，設計如表5 所示的參數組合。

表5 切削參數對殘余應力的影響仿真分析方案Tab.5 Simulation analysis scheme of influence of cutting parameters on residual stress

由圖3—圖7 可見殘余應力的變化：在工件表面層表現為殘余拉應力，而在次表層表現為壓應力。總的變化趨勢為隨著切削厚度增加，在0～0.05 mm厚度范圍殘余拉應力迅速增加，0.05 mm 之后逐漸降低，并過渡為壓應力，壓應力經歷一個先增大后減小的過程。

圖3 切削速度對殘余應力影響Fig.3 Effect of cutting speed on residual stress

（1）切削速度對殘余應力的影響

如圖3 所示，比較4.0，5.0，6.5，8.0 r/min 4種切削速度對殘余應力的影響可得，隨著車削速度逐漸增大，工件表層殘余拉應力逐漸減小，但變化不大。此外，切削速度的變化對殘余應力層的厚度影響較小，大約都是0.2 mm。主要原因是切削溫度隨著切削速度的增加而升高，使得熱應力在殘余應力產生的過程中成為了主要影響因素，進而導致了殘余拉應力的產生，并和切削速度成正比關系；同時溫度的上升會導致工件表層體積膨脹，短時間內被工件基體所限制，無法立即滲入到工件里層，使得拉應力迅速轉變為壓應力。產生的殘余壓應力與產生的拉應力相互抵消，致使拉應力相對減小。

（2）切削深度對殘余應力的影響

比較0.50，0.65，0.80 和1.00 mm 四種切削深度對殘余應力的影響，如圖4 所示，隨著切削深度的逐漸變大，工件表層殘余拉應力也增加，但是變化不明顯。這說明切削深度的變化對工件已加工表面層殘余應力的影響極小。主要原因是切削深度增加導致主變形區的應力增大、溫度升高，但是切削過程中產生的切削熱量大部分都散發掉，因此，通過改變切削深度來影響殘余應力的做法意義不大。

圖4 切削深度對殘余應力影響Fig.4 Effect of cutting depth on residual stress

（3）刀具前角對殘余應力的影響

由圖5 可見，車刀前角從0°增加到5°、10°和15°正角之間的關系不是單向線性變化。前角為0°～5°，工件表層的殘余拉應力隨著角度增加而增大，但是增長量較小。前角增加到10°時殘余拉應力又降低，這是因為車刀前角增大到某一值時，刀具與工件已加工表面接觸面減小，進而減少了摩擦和切削熱，最終降低了表層的殘余應力。但前角增加到15°時，殘余拉應力反而增大。究其原因，推斷是由于角度增大，車刀參與切削部分的材料減少，由切削熱導致的熱應力對材料的影響度增加，超過了由于摩擦減小導致的殘余應力減小。相比而言，刀具前角為0°和10°時的殘余應力最小。

圖5 刀具前角對殘余應力影響Fig.5 Effect of tool rake angle on residual stress

（4）進給量對殘余應力的影響

由圖6 可知，工件表層最大殘余應力隨車削進給量的增大而減小。進給量為0.8 mm 時殘余應力最小。主要原因是車削過程中進給量越大，由此產生的切削力越大，進一步導致了工件的塑性變形區隨之增大，最后引起殘余應力變大；同時，進給量的增大也會進一步導致切削溫度升高，引發工件表層體積膨脹，被工件大變形區體積所限制，熱應力引起的殘余拉應力轉變為壓應力，產生的殘余壓應力與產生的拉應力相互抵消，致使拉應力減小。

圖6 進給量對殘余應力影響Fig.6 Effect of feed rate on residual stress

（5）刀具后角對殘余應力的影響

由圖7 可見刀具后角對殘余應力的影響趨勢，隨著后角變大，表面殘余拉應力稍微減小。這是因為刀具后角的增大可以一定程度上改善后刀面與已加工表面的摩擦情況。刀具后角變化，改變了刀具后刀面與已加工表面的接觸長度及摩擦特性，使得到已加工表面分布力載荷和熱載荷也受到影響，從而最終影響已加工表面殘余應力。后角減小，該接觸長度增大，后刀面摩擦加劇，從而使得由熱效應產生的拉應力趨勢加強。

圖7 刀具后角對殘余應力影響Fig.7 Effect of tool clearance angle on residual stress

4 殘余應力影響因素及切削工藝參數預測優化

對殘余應力有影響的因素較多，為了能進行較少的實驗而獲得比較準確的參數優化結果，采用正交試驗法，將3 個切削參數(切削速度、切削深度、進給量)、2 個刀具參數（刀具前角和刀具后角）作為因素，各有4 個水平。結合上文結論，通常殘余壓應力有利于工件，殘余拉應力有害于工件，殘余拉應力越大對工件的影響越大，因此設立目標為最大殘余拉應力，將實驗中的5 因素4 水平制定成L16（45）正交分析方案，如表6 所示。

表6 切削加工參數正交實驗優化方案Tab.6 Orthogonal test optimization scheme of cutting parameters

極差越大，說明該因素對實驗的影響越大，由表6 可知，進給量是最大影響因素。殘余應力越小越好，所以要求每列K 的最小值。

在切削速度Vc一列，K3

在切削深度ap一列，K4=K3

在刀具前角γ一列，K1

在進給量f 一列，K4

在刀具后角α一列，K4

可得最優組合：（1）切削轉速為6.5 r/min，切削深度為1 mm，刀具前角為0°，進給量為0.8 mm，刀具后角為20°。（2）切削轉速為6.5 r/min，切削深度為0.8 mm，刀具前角為0°，進給量為0.8 mm，刀具后角為20°。

5 結語

本文以304 不銹鋼大型封頭件為例，對其車削過程進行了仿真分析，尤其關注切削件殘余應力的產生發展過程。分析了5 個切削工藝參數對殘余應力的影響。以殘余應力為目標函數，對5 個切削工藝參數為因素進行正交實驗優化設計，結果表明：進給量是最大影響因素，并在現有切削加工參數基礎上得到了2 組最優的組合方案：（1）切削速度為6.5 r/min，切削深度為1 mm，刀具前角為0°，進給量為0.8 mm，刀具后角為20°；（2）切削速度為6.5 r/min，切削深度為0.8 mm，刀具前角為0 °，進給量為0.8 mm，刀具后角為20°。