段春爭(zhēng)，孔維森，張方圓

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼守大連 116024）

高速干硬切削加工表面殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)*

段春爭(zhēng)，孔維森，張方圓

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼守大連 116024）

高速干硬切削過(guò)程中已加工表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)零件的使用性能和使用壽命有很大影響，成為優(yōu)化高速干硬切削加工參數(shù)需要考慮的重要因素之一?；跓?彈塑性理論和有限元軟件ABAQUSTM，建立了高速干切削GCr15淬硬鋼中殘余應(yīng)力分布的預(yù)測(cè)模型，分析了切削速度、后刀面磨損和切削深度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律和形成機(jī)理。GCr15淬硬鋼實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析表明，該模型能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出已加工表面殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

高速干硬切削；殘余應(yīng)力；淬硬鋼；有限元模擬

0 引言

近年來(lái)，高速干硬切削在淬硬鋼等難加工材料的加工中逐漸展示出巨大的潛力，已成為目前先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分［1-4］。但是，高速干硬切削過(guò)程中存在多場(chǎng)耦合作用，工件和刀具處于局部高溫、高應(yīng)力、高應(yīng)變及高應(yīng)變率狀態(tài)，這種刀具—工件之間劇烈的相互作用必然會(huì)影響已加工表面應(yīng)力分布，使得加工表面層出現(xiàn)殘余應(yīng)力。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，高速干硬切削加工表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)工件的使用性能和抗疲勞磨損性能有很大影［5-8］。因此，殘余應(yīng)力成為影響高速硬態(tài)切削已加工表面質(zhì)量的重要方面，要獲得高的加工表面質(zhì)量，就必須對(duì)高速干硬切削中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行深入研究。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，一方面需要對(duì)殘余應(yīng)力的形成機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究，另一方面要建立加工表面殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型，為制定和優(yōu)化用于實(shí)際生產(chǎn)的切削參數(shù)組合提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 高速干硬切削加工表面殘余應(yīng)力的建模預(yù)測(cè)與結(jié)果驗(yàn)證

1.1 高速干硬切削加工表面殘余應(yīng)力的建模

工件中的殘余應(yīng)力是經(jīng)切削加工、刀具卸載、工件完全冷卻后在內(nèi)部仍殘留的內(nèi)應(yīng)力。因此，高速干硬工表面殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)可以分切削加工、刀具卸載、重設(shè)邊界條件、工件冷卻四個(gè)步驟進(jìn)行，如圖1所示。

（1）切削加工

分別給刀具和工件施加邊界條件，其中工件固定，刀具做切削運(yùn)動(dòng)，如圖1a所示。以GCr15淬硬鋼（HRC62）為材料，使用ABAQUS/ExplicitTM處理器，建立正交切削二維有限元模擬。

（2）刀具卸載

切削分析結(jié)束后，刀具需快速卸載，消除刀具與工件的接觸對(duì)工件應(yīng)力、應(yīng)變能分布的影響，因此在卸載分析步中對(duì)刀具施加速度邊界條件，如圖1b所示，刀具卸載后工件加工表面會(huì)發(fā)生彈性回復(fù)，本步分析仍然使用ABAQUS/ExplicitTM求解器運(yùn)算。

（3）重設(shè)邊界條件

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，殘余應(yīng)力是在工件沒(méi)有任何約束條件和常溫中測(cè)得的，因此，預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力需要去除切削加工階段施加在工件上的邊界條件。但是在使用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時(shí)必須施加邊界條件，可通過(guò)約束工件底邊的兩點(diǎn)來(lái)解決該問(wèn)題，其中一點(diǎn)全約束，一點(diǎn)只約束y方向的位移，如圖1c所示。

（4）冷卻分析

在冷卻分析步中設(shè)置工件與周?chē)h(huán)境的熱交換條件，包括熱對(duì)流和熱輻射，使工件的溫度降至室溫，去除熱作用對(duì)應(yīng)力分布的影響，如圖1d所示。由于本分析步只關(guān)心工件的殘余應(yīng)力，故可以不考慮刀具，只對(duì)工件進(jìn)行分析。綜合考慮各因素，本文在重設(shè)邊界條件及冷卻分析時(shí)選用ABAQUS/StandardTM求解器來(lái)進(jìn)行求解，以縮短計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，并且不影響計(jì)算結(jié)果。

圖1 預(yù)測(cè)正交切削殘余應(yīng)力的四個(gè)步驟

1.2 高速干硬切削加工表面殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)

基于ABAQUSTM建立的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示。其中，圖2a為切削完成刀具卸載后沿速度方向的應(yīng)力云圖，圖2b為工件冷卻至室溫后沿切削速度方向的殘余應(yīng)力云圖。從圖2a、圖2b對(duì)比可以看出，工件冷卻前后的應(yīng)力分布發(fā)生了較大變化。由此可見(jiàn)，冷卻分析步的設(shè)置在殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)中至關(guān)重要。

圖2 殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)過(guò)程（切削參數(shù)見(jiàn)表1中的切削條件1）

1.3 高速干硬切削加工表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的可靠性，本文利用參考文獻(xiàn)［9-10］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。比較結(jié)果如圖3a、圖3b所示，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，其中第一組數(shù)據(jù)為參考文獻(xiàn)［9］的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，第二組數(shù)據(jù)為參考文獻(xiàn)［10］的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 參考文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由圖3可得模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)具有較好的一致性，只是數(shù)值上存在一定的誤差。造成這種誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面：一方面，本文提出的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型是建立在一系列簡(jiǎn)化和假設(shè)的基礎(chǔ)上，模擬過(guò)程中刀具的切削刃半徑和后刀面磨損一直保持不變，但實(shí)際切削中刀具刃口及后刀面會(huì)產(chǎn)生磨損，而且工件的塑性變形呈三維流動(dòng)狀態(tài)，本模型沒(méi)有考慮側(cè)流現(xiàn)象。另外，材料的屬性、摩擦系數(shù)的變化都會(huì)影響預(yù)測(cè)值的精度，這會(huì)造成預(yù)測(cè)值在一定程度上偏離實(shí)際值；另一方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量也會(huì)存在誤差，測(cè)量殘余應(yīng)力沿深度方向的分布時(shí)，需要用電解腐蝕的方法將試樣逐層剝除、逐層測(cè)試，剝層時(shí)會(huì)造成應(yīng)力釋放。此外加工表面的不平整會(huì)對(duì)X射線衍射造成影響，因此會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)量帶來(lái)誤差。綜合預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比及誤差因素分析，可以看出本文提出的預(yù)測(cè)方法可行，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

圖3 殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

2 高速切削加工表面殘余應(yīng)力的影響因素分析

殘余應(yīng)力是熱力因素耦合作用的結(jié)果，而切削參數(shù)對(duì)切削過(guò)程中的熱力分布影響極大，因此，分析切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響有重要的意義。

2.1 切削速度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

由預(yù)測(cè)模型得到的切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可得，隨著切削速度的增大，工件表層上的殘余應(yīng)力數(shù)值上先減小后增大。這是因?yàn)?，在較低切削速度范圍內(nèi)時(shí)，隨著切削速度的升高，工件加工表面的溫度逐漸升高，此時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)變較大，因此表面的殘余應(yīng)力有向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)；當(dāng)切削速度到達(dá)高速范圍時(shí)，切削過(guò)程產(chǎn)生的大部分熱量由切屑帶走，工件加工表面的溫度有所降低，熱應(yīng)變減小，塑性變形起主要作用，因此，工件表面易于形成殘余壓應(yīng)力。

圖4 切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.2 后刀面磨損對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

不同后刀面磨損量對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律如圖5所示，所比較的殘余應(yīng)力均為沿速度方向的殘余應(yīng)力。由圖5可得，刀具后刀面磨損對(duì)工件殘余應(yīng)力分布有很大影響。后刀面磨損量增大時(shí)，殘余應(yīng)力的分布發(fā)生了顯著的變化。從圖中曲線可以看出，后刀面磨損量為0時(shí)，表層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，而后刀面磨損量為0.1mm和0.2mm時(shí)，表層殘余應(yīng)力則變成了拉應(yīng)力，內(nèi)部殘余應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。因此得出，后刀面無(wú)磨損時(shí)，工件加工表面及其下方的殘余應(yīng)力全為壓應(yīng)力，隨著刀具磨損量的增大，工件表層的殘余應(yīng)力逐漸向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化。這是因?yàn)榈毒邿o(wú)后刀面磨損時(shí)，切削過(guò)程產(chǎn)生的熱量較少，工件表層熱應(yīng)變程度低于塑性應(yīng)變，表層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力；隨著后刀面磨損增加，后刀面-工件加工表面之間的摩擦越來(lái)越劇烈，工件表層的溫升急劇升高，導(dǎo)致熱應(yīng)變程度高于塑性應(yīng)變，因此，工件表層的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，里層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。

圖5 后刀面磨損對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.3 切削深度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

切削深度不同，工件的塑性變形及切削過(guò)程產(chǎn)生的切削熱都會(huì)隨之變化，從而對(duì)殘余應(yīng)力的分布產(chǎn)生影響。基于本文的預(yù)測(cè)模型得出的不同切削深度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 切削深度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

由圖6可看出，隨著切削深度的增加，加工表面上的殘余拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力層的滲透深度都有所增加。當(dāng)切削深度為0.2mm時(shí)，工件中的殘余應(yīng)力完全為殘余拉應(yīng)力，會(huì)對(duì)工件的使用性能產(chǎn)生不利影響。造成這種現(xiàn)象的原因是：隨著切削深度的增加，切削熱明顯增加，熱應(yīng)力引起的殘余拉應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，因此加工表面上的殘余拉應(yīng)力有所增加。另一方面，隨著切削深度的增加，塑性變形區(qū)域隨之增加，因此殘余應(yīng)力層深度也會(huì)增加。

3 結(jié)論

本文基于熱-彈塑性理論和有限元軟件ABAQUSTM建立了殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型，具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：

（1）基于有限元分析，利用動(dòng)態(tài)分析與靜態(tài)分析、顯式分析與隱式分析相結(jié)合的方法，建立了一種省時(shí)高效的高速干硬切削加工表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型。

（2）對(duì)本文建立的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明本預(yù)測(cè)方法可行，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

（3）基于本文提出的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)方法，對(duì)高速干切削淬硬軸承鋼過(guò)程中切削速度、后刀面磨損和切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：切削速度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響不大，刀具磨損量增大時(shí)會(huì)使表面殘余應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化，切削深度增加時(shí)會(huì)使加工表面殘余拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力層深度都增加。

［1］艾興.高速切削加工技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［2］Toenshoff H K，Arendt C，Ben A R.Cutting hardened steel［J］.Annals of the CIRP，2000，49（2）：1-19.

［3］文東輝，劉獻(xiàn)禮，肖露，等.硬態(tài)切削機(jī)理研究的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.工具技術(shù)，2002，36（6）：3-7.

［4］龐俊忠，王敏杰，李國(guó)和，等.高速切削淬硬鋼的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（S）：421-425.

［5］Barbacki A，Kawalec M.Structural alternations in the surface layer during hard machining［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，64：33-39.

［6］Barbacki A，Kawalec M，Hamrol A.Turning and grinding as a source of microstructural changes in the surface layer of hardened steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，133：21-25.

［7］Hosseini SB，Ryttberg K，Kaminski J，et al.Characterization of the surface intergrity induced by hard turning of bainitic and martensitic AISI 52100 steel［C］.5th CIRP Conference on High Performance Cutting，2012.

［8］Y Choi.Influence of a white layer on the performance of hard machined surfaces in rolling contact［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2010，224：1207-1215.

［9］Umbrello D，Outeiro JC，M’Saoubi R，et al.A numerical model incorporating the microstructure alteration for predicting residual stress in hard machining of AISI 52100 steel［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2010，59：113-116.

［10］Al-Zkeri IA.Finite element modeling of hard turning［D］. Ohio：The Ohio State University，2007.

（編輯 趙蓉）（編輯 趙蓉）

Prediction of Residual Stress in Machined Surface during Dry Hard High Speed Machining

DUAN Chun-zheng，KONGWei-sen，ZHANG Fang-yuan
（School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China）

In dry hard high speed machining，the residual stress produced in machined surface during cutting process has great impact on the use performance and working life of parts and becomes an important factor considered in optimizing machining parameters of dry hard high speed machining.Based on the thermal elastic-plastic theory and the finite element software ABAQUSTM，the prediction model of residual stress distribution in dry high speed machining of GCr15 hardened steel is established，the influence of the cutting speed，flank wear and cutting depth on the distribution of residual stress is analysed.The comparative analysis of experimental and predicted results of GCr15 hardened steel shows that this model can accurately predict residual stress distribution rule in machined surface.

dry hard high speed machining；residual stress；hardened steel；finite element modeling

TH161+.14；TG506

A

1001-2265（2015）04-0119-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.031

2014-09-25；

2014-11-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375072）

段春爭(zhēng)（1970—），男，黑龍江鶴崗人，大連理工大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)楦咚偾邢骷庸だ碚摵图夹g(shù)，（E-mail）duancz@dlut.edu.cn。