王明海，劉中海，王虎軍，于賀苓，呂以巍

WANG Ming-hai, LIU Zhong-hai, WANG Hu-jun, YU He-ling, LV Yi-wei

（沈陽航空航天大學 機電工程學院，沈陽 110136）

0 引言

金屬切削過程是工件與刀具間的相互作用[1]，并伴隨著高應變、高壓、高溫度的復雜彈塑性大變形過程，在已加工表面上往往會存在著相當大的殘余應力。本文主要對第一類殘余應力即宏觀殘余應力[2]進行分析，殘余拉應力影響加工零件的疲勞強度、靜力強度、抗應力腐蝕等性能，導致加工表面產(chǎn)生微裂紋，使用壽命降低；而殘余壓應力在一定范圍是可以提高零件的疲勞強度。在使用過程中受到溫度、外力等因素的作用，使分布不均勻的殘余應力發(fā)生松弛與再分布，對尺寸穩(wěn)定性、造成嚴重的影響。

近年來，隨著計算機圖形技術和數(shù)值仿真技術的不斷提高，使金屬切削過程模擬仿真成為可能。國內(nèi)外研究對切削參數(shù)、刀具參數(shù)、切屑形狀及切削熱分布做了許多工作[3-5]，模擬精密切削鈦合金研究其殘余應力的分布及變形較少。

本文使用商業(yè)有限元軟件，進行模擬正交切削鈦合金TC4的切削過程，研究刀具刃口半徑對加工表面殘余應力的分布及材料的抗彎剛度對變形的影響。為研究工件變形及控制提供了有益的參考數(shù)據(jù)，可用于指導切削刀具幾何參數(shù)的合理選擇。

1 有限元模型的建立

金屬的切削過程是一個多元非線性過程，建立正交熱-力耦合[6]有限元切削模型，在一定假設下建立模型：

1）切削寬度是切削深度五倍以上，模型簡化成平面應變問題；

2）刀具只在切削方向上的運動，同時將刀具設置為剛性體，忽略刀具的塑性變形和加工過程中的磨損，在本文中刀具材料為金剛石刀具；

3）在實際的切削過程刀具和工件的摩擦以及切屑存在彈塑性變化都產(chǎn)生很多的熱量，致使工件的溫度不斷的升高，使工件的微觀組織發(fā)生了變化。在模擬建模的時候我們將忽略由于溫度變化引起的金相組織及其它的化學變化；

4）忽略輻射作用,只考慮刀具和工件之間的傳導和對流；

5）被加工材料定義為各向同性材料，本文中切削材料為鈦合金TC4。

1.1 材料本構(gòu)模型的建立

金屬切削過程即產(chǎn)生有彈性變形，又產(chǎn)生塑性變形；并且始終處于高溫、大應變的條件下，整個過程是一個復雜的多元非線性問題，并考慮多種因素對工件材料硬化應力的影響，Johnson-Cook等向塑性模型[7]使用應變、應變率和溫度的關系方程表達工件材料的流動應力。

1.2 切屑的分離準則

切削加工的過程是材料不斷被去除的過程，本文采用更接近實際情況的應變分離準則：規(guī)定在預定義路徑上距刀尖前緣最近處的節(jié)點的等效塑性應變達到臨界值時，此單元節(jié)點分離。本文使用Johnson-Cook破壞準則[7]。單元破壞的定義為：當材料失效參數(shù)ω超過1時，則假定為材料失效。當所有的積分點都發(fā)生材料失效，判定該單元格將從網(wǎng)格中被刪除。

Johnson-Cook剪切失效模型適用于金屬大應變率變形動態(tài)仿真數(shù)值模擬。

1.3 有限元網(wǎng)格劃分

在金屬的切削過程中，切削區(qū)域是溫度和應力集中的地方，隨著刀尖與工件接觸，單元格開始變形，有的單元坐標由于變形不均勻而扭曲，嚴重影響了計算精度，甚至引起網(wǎng)格的畸變、退化等，使得計算結(jié)果不收斂，或與實際不相符。通過網(wǎng)格重新劃分，選用自適應網(wǎng)格（ALE）劃分技術改善網(wǎng)格質(zhì)量，并對切削區(qū)域進行網(wǎng)格局部加密，逐層加密，這樣可以提高計算的效率，獲得更精確的分析結(jié)果。

2 模擬結(jié)果與討論

本文中模擬的是金剛石刀具高速切削鈦合金TC4，其密度為4.44×103 kg/m3,材料的力學物理性能、熱性能見表1、表2，金剛石刀具材料參數(shù)如表3所示。

表1 TC4力學物理性能參數(shù)

表2 TC4熱性能參數(shù)

表3 金剛石刀具參數(shù)

本文采用五個刀具刃口半徑0.01 mm、0.015 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm，工件尺寸2.5 mm×0.8 mm，切削深度ap=0.01 mm、切削速度νc=6000 mm/s、前角為500、后角為500，工件及刀具的正交切削有限元模型如圖1所示，加工殘余應力的分布如圖2所示。

圖1 正交切削有限元模型

圖2 加工表面殘余應力分布

我們可以從圖2中看到，加工殘余應力的分布有明顯的變化，隨刀具刃口半徑r由0.01 mm～0.04 mm的增大，表層的殘余應力逐漸增大，較大的殘余應力層逐漸向工件內(nèi)部擴展。當r=0.01 mm時，表面殘余應力最大60.406 MPa；當r=0.04 mm時，表面殘余應力最大158.636 MPa。這是由于刀具刃口半徑r的增大，刀具與工件的接觸增大，接觸摩擦熱增多，工件溫度不斷升高。當r=0.03、0.04 mm時，加工表面出現(xiàn)較大的變形，嚴重影響了加工表面質(zhì)量，加工誤差增大。還可以看出，在工件兩端處的加工變形和殘余應力較大，中間比較平緩接近，這是由于加工中間區(qū)域時，工件剛度較大并且很相似，兩端剛度較小。

圖3 加工表面Y向的殘余應力模擬分布

圖4 切削加工過程圖

工件在加工表面Y向的殘余應力模擬分布曲線如圖3所示，從此圖可以看出，加工殘余應力變化主要在工件近表層，這是由于鈦合金的導熱性較差，熱量主要蓄存在近表層， 刀具刃口半徑r的變化只對工件近表層溫度有影響，圖中在深度0.025 mm處到達最大，在深度0.35 mm以下加工殘余應力很小，波動很小。

從圖4中我們可以看出刀具在這里是設為剛性體，工件在刀尖部位的應力最大，工件加工區(qū)域的應力和溫度也是很高，蓄積了很大的能量，并在此高切削速度、小切深、刀具高鋒銳度的條件下產(chǎn)生斷屑，這與實際結(jié)果相吻合。

刀具刃口半徑r=0.02 mm時的切削力和加工表面質(zhì)量曲線如圖5、圖6，得到的平均切削力約F=20 N；加工表面兩端由于剛性差，變形大，中間比較接近，表面粗糙度Ra＜0.1 μm。在實際中，隨時注意觀察刀具是否磨鈍，避免刀刃不鋒利產(chǎn)生的擠壓變形、扎刀和燒傷。采用較小的切削深度、較高的刀具鋒銳度（金剛石刀具可以刃磨出r=1 μm,天然金剛石刀具可以刃磨出r≤1 μm）、較高的切削速度，這樣加工表面變形小，加工誤差降低，可以得到的加工表面質(zhì)量越好。

圖5 切削力變化曲線

圖6 加工表面質(zhì)量曲線

3 結(jié)論

1）采用應變分離原則可較準確的模擬切削加工過程，并得到預測加工殘余應力的分布。

2）由于切削刃對加工表面摩擦和擠壓的程度與切削刃的鋒銳度有關，隨著刀具刃口半徑的增大，以加工表面的變形增大，才生大量的切削熱，使殘余應力數(shù)值也逐漸的增大，殘余應力層向工件內(nèi)部擴展，導致已加工表面的質(zhì)量越差。

3）鈦合金的導熱性能差，高熱分布在加工近表層，使近表層加工殘余應力增加。

4）在切削力的作用下，加工表面兩端的剛度較小的區(qū)域變形大，殘余應力也較大；而對剛度較大的中間區(qū)域則影響較小，比較均勻。

[1]周澤華.金屬切削原理(第2版)[M].上海：上?？萍技夹g出版社.1993.

[2]劉海濤,盧澤生,孫雅洲.切削加工表面殘余應力研究的現(xiàn)在與發(fā)展[J].航空精密制造技術,2008,44(2)：17-19,31.

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