景旭文，薛　瓏，田桂中，周宏根，李　磊

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船用柴油機缸蓋高速切削加工表面殘余應力的分析和模擬*

景旭文，薛瓏，田桂中，周宏根，李磊

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：為了降低船用柴油機缸蓋高速切削表面殘余應力，提高表面加工質量，文章基于仿真分析方法，研究了不同切削要素對船用柴油機缸蓋高速切削表面殘余應力的影響。首先，使用J-C本構關系及其斷裂準則建立了材料失效破裂模型；其次，基于Abaqus有限元法建立了船用柴油機缸蓋二維高速切削有限元模型，進而探究了不同切削速度、切削深度、刀具角度下缸蓋表面殘余應力變化規(guī)律。研究表明：合理選擇切削速度、切削深度、刀具角度能夠有效地降低船用柴油機缸蓋高速切削表面殘余應力，提高產品加工質量。

關鍵詞：船用柴油機缸蓋；高速切削；表面殘余應力

0引言

我國是一個船舶制造大國，盡管改革開放以來，船用柴油機制造業(yè)獲得了很大的發(fā)展，然而由于船用柴油機缸蓋結構特殊，設計緊湊，鑄件毛坯局部壁厚較薄，在機械加工中還普遍存在著已加工表面殘余應力過高及加工壁厚不能保證等質量問題。其中過高的已加工表面殘余應力會引起可觀的加工變形，這將嚴重影響產品的加工質量，因此在實際加工中一般都選用較保守的切削參數(shù)，這些切削參數(shù)還是傳統(tǒng)的經驗數(shù)據(jù)或者是手冊數(shù)據(jù)，嚴重阻礙了船用柴油機制造業(yè)的發(fā)展。

目前國內外學者在不同切削參數(shù)對已加工表面殘余應力的影響方面，已取得了顯著地成果，樊寧[1]利用有限元法分析的方法，得到了殘余應力與刀具前角的關系；吳紅兵[2]則利用三維斜角切削有限元模型獲得了鈦合金 Ti6A14V高速切削加工時，不同切削速度和切削深度下的已加工表面殘余應力分布規(guī)律；Jiann-Cherng Su[3]則研究了刀具的幾何形狀、切削深度、轉速等銑削加工參數(shù)對工件已加工表面殘余應力的影響。然而，國內外對于船用柴油機缸蓋高速切削加工時，不同切削要素對已加工表面殘余應力影響的研究還處于空白。

本文以船用柴油機缸蓋為研究對象，采用Abaqus有限元軟件分析不同切削要素對工件已加工表面殘余應力的影響，為降低缸蓋表面殘余應力提供合理建議，從而提高船用柴油機缸蓋的加工效率和表面加工質量。

1高速銑削仿真建模過程分析

1.1高速銑削加工過程的簡化

銑削加工過程是銑刀的旋轉運動和工件進給運動的求和，根據(jù)運動的相對性，將工件視為靜止，則銑削過程即為銑刀同時作旋轉和進給運動，所以刀具的軌跡為次擺線。一個刀齒的切削面積的形狀是相鄰的兩個刀齒的軌跡所圍成的部分，切削厚度是連續(xù)變化的[4]。由于工件的進給速度遠小于銑刀的旋轉速度，則可做合理簡化，假設一個刀齒的軌跡為圓弧形，如圖1所示，其中fz為單齒進給量，r為刀具半徑。

切屑所對應的切屑角K為：

(1)

切屑的橫截面積為M為：

(2)

圖1　連續(xù)兩次進刀情況下的切屑圖

圖2　等效切屑

雖然切削厚度是連續(xù)變化的，但是因為每齒進給量比較小，銑刀的旋轉速度又很高，所以其厚度變化非常小，所以將厚度連續(xù)變化的切削層簡化成厚度均勻分布的等效切削層以簡化切削加工有限元模型[5]。等效切屑形狀如圖2所示，得其等效厚度h為：

(3)

1.2正交切削有限元模型的假設條件

金屬切削加工過程，是一個很復雜的過程，影響加工精度及表面質量的因素很多。而進行有限元模擬時，并不能充分考慮到所有因素，因此本文建立的正交直角切削有限元模型是基于以下的假設條件[6]:

(1)切削寬度至少是切削深度的五倍；

(2)刀具是剛體且鋒利，并且只趨于切削方向的運動；

(3)在切削過程中產生連續(xù)的切屑；

(4)忽略加工過程中，由于溫度變化引起的金相組織及其它化學變化；

(5)被加工對象的材料是各向同性的。

1.3高速切削有限元模擬關鍵技術

J-C模型是一種能夠真實的反映材料本構關系的模型，因此本文模擬仿真采用J-C模型來描述材料的本構關系，J-C模型的公式如下[7]：

(4)

其中：σ為流動應力；為等效塑性應變；為應變率；為參考應變率；T為工件溫度；Tm為材料的溶點溫度；Tr為室溫；A為屈服強度.；B為硬化模量；C為應變率敏感系數(shù)；n為強化指數(shù)；m為溫度應變率靈敏度。

本文采用的斷裂模型是J-C斷裂失效模型，該模型具有斷裂模型和切屑分離準則雙重作用。該斷裂模型原理為：當單元的塑性應變p達到了材料的臨界斷裂值時，就刪除該單元，從而實現(xiàn)材料斷裂。判斷公式如下：

(5)

2船用柴油機缸蓋二維高速切削有限元模型的建立

2.1二維有限元模型的建立

基于上述模型簡化原理和假設條件，并使用J-C本構關系及其斷裂準則 ，可建立如圖3所示的船用柴油機缸蓋二維高速切削有限元模型。

圖3　二維切削模型

2.2網格劃分及單元選擇

圖4　網格局部放大圖

刀具和工件的網格質量決定了計算精度和計算時間。本文將充分利用Abaqus的自適應劃分網格的功能，該功能可以自動重劃分網格，并且調節(jié)網格大小和位置以適應不同幾何物理特性。本文中采用CPE4RT單元，該單元是可用于熱力耦合的4節(jié)點非線性實體平面應變縮減積分單元。網格劃分結果為：切屑層網格數(shù)為3860；連接層網格數(shù)為250；工件網格數(shù)為2500；刀具網格數(shù)為559。其中刀尖部分和切屑層部分的網格細化，這樣既可以滿足一定的仿真精度，又可以節(jié)省仿真時間。

2.3邊界條件和約束

在工件左、右側面各限制三個方向的自由度U1=UR2=UR3=0，底面限制六個方向自由度U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。在接觸中將刀具設置為剛體，其上一點設置相關點RP-l，并在速度坐標系中限制RP- l的自由度(V2、V3)，施加切削速度V1。

圖5　約束加載結果圖

2.4工件和刀具材料設定

工件材料為船用柴油機缸蓋用材：QT500-7，材料參數(shù)[8]見表1。

表1　QT500-7材料參數(shù)

上表中：ρ為密度；μ為泊松比；Cp為熱導率；Tr為參考溫度(室溫)；Tm為材料熔點溫度；ε0為參考塑性應變率；A、B、C、n、m為J-C強度模型參數(shù)；D1、D2、D3、D4、D5為 J-C斷裂失效模型。

刀具選擇為WC硬質合金，材料參數(shù)見表2。

表2　WC硬質合金參數(shù)

上表中E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為密度；Cp為導熱系數(shù)；c為質量比熱；α為熱膨脹系數(shù)。

3切削參數(shù)對缸蓋表面殘余應力的影響

3.1切削速度對缸蓋表面殘余應力的影響

為了研究切削速度對缸蓋表面殘余應力的影響，本文進行了切削速度為5m/s、10m/s、15m/s及20m/s時的加工仿真，保持切削厚度為2mm、刀具前角為-5°及刀具后角為0°不變，得到如下所示的仿真結果圖。

圖6　切削速度為5m/s時工件應力圖

圖7　切削速度為10m/s時工件應力圖

圖8　切削速度為15m/s時工件應力圖

圖9　切削速度為20m/s時工件應力圖

由圖6～圖9可知加工時，最大應力都存在于切屑根部，工件已加工表面留有不等的殘余應力。這里我們主要研究切削速度對工件已加工表面殘余應力的影響，并可得到表3的工件最大表面殘余應力表。

表3　工件最大表面殘余應力

由表3可以看出殘余應力隨切削速度的增加而增加，當切削速度達到高速切削范圍內一定值時，殘余應力開始降低，這主要是因為速度的增大，使得切削溫度提高，從而使變形系數(shù)減小的結果。這說明在高速切削范圍內，相對常規(guī)切削而言，殘余應力值有所降低，這對于改善加工表面質量有所幫助。因此，選擇切削速度時，在保證加工條件允許下，應當在高速范圍內選擇盡可能高的切削速度。

3.2切削深度對缸蓋表面殘余應力的影響

為了得到切削深度對工件表面殘余應力的影響，本文進行了不同切削深度的加工仿真。仿真過程中統(tǒng)一采用15m/s的切削速度，相同的加工刀具，得到圖10和圖11的應力圖。

由圖10可知，最大應力為1267MPa，位于切屑根部；已加工表面殘余的應力較小，在已加工表面中間部分只有325MPa，工件切入處較大，其值為743MPa。由圖11可知，最大應力同樣存在于切屑根部，其值為1284MPa。相比于切深為1mm時，已加工表面殘余應力各處相差不大，基本都為860MPa。

圖10　切深為1mm時工件應力圖

圖11　切深為3mm時工件應力圖

根據(jù)仿真結果圖，可以得到切削速度為15m/s時工件最大表面殘余應力表，如表4所示。

表4　工件最大表面殘余應力

由表4可知，工件表面最大殘余應力隨切削深度的增加而增大。因此在進行高速加工時，應根據(jù)實際加工的需要選擇盡可能小的切削深度，以此來降低殘余應力，提高加工質量。

3.3刀具角度對缸蓋表面殘余應力的影響

為了研究刀具角度對工件表面殘余應力的影響，本文還通過改變刀具的前角和后角，使用切削速度為15m/s、切削厚度為2mm的加工條件，得到如圖12、圖13所示的仿真結果圖。

圖12　刀具前角10°、后角0°工件應力圖

圖13　刀具前角15°、后角0°工件應力圖

由圖12可知，在刀具前角變大了后，刀尖變的鋒利，最大應力為1250MPa，最大應力位于切屑根部。已加工表面最大殘余應力為836MPa，最小殘余應力為215MPa，最大和最小殘余應力在已加工表面呈間隔過渡分布。由圖13可知，在刀具前角繼續(xù)增大到15°后，最大應力為1222MPa，最大應力位于切屑根部。切屑根部最大應力比刀具前角為10°時變小了，這是由于刀具前角變大，切屑更容易從前刀面流出。已加工表面最大殘余應力為817MPa，最小殘余應力為209MPa，最大和最小殘余應力在已加工表面呈間隔分布。

由圖14可知，在刀具前角為10°、后角變大為5°后，最大應力為1230MPa，最大應力位于切屑根部。同樣的，由于刀尖變的鋒利，切屑根部最大應力減小了。已加工表面最大殘余應力為822MPa，最小殘余應力為210MPa，最大和最小殘余應力在已加工表面呈間隔過渡分布。由圖15可知，在刀具前角為10°、后角變大為10°后，最大應力為1250MPa，最大應力位于切屑根部。已加工表面最大殘余應力為835MPa，最小殘余應力為214MPa，最大和最小殘余應力在已加工表面呈間隔過渡分布。

圖14　刀具前角10°、后角5°工件應力圖

圖15　刀具前角10°、后角10°工件應力圖

根據(jù)仿真結果，我們可以得到表5和表6的工件表面最大殘余應力表。

表5　刀具后角為0°時工件表面最大殘余應力

分析表5可知，工件表面最大殘余應力隨刀具前角的增大，先增大后減小，在刀具前角約為10°時最大。所以為了降低工件殘余應力，應當盡量避開刀具前角為10°的刀具來加工工件。綜合考慮，在保證刀具的剛度的前提下，在高速范圍內，取前角15°還是比較合適的。

表6　刀具前角為10°時工件表面最大殘余應力

分析表6可知，工件表面最大殘余應力隨刀具后角的增大，先減小后增大，在刀具后角約為5°時最小。因為在切削加工過程中，后刀面會與已加工表面有接觸和摩擦，對切削力的大小將會產生影響，后角越小，后刀面與已加工表面的摩擦長度越大，摩擦力增加，這將會加劇刀具后刀面的磨損；相反，后角越大，刀具越鋒利，摩擦力就會降低，但是增大后角會減小刀刃的強度。因此應當盡量選擇刀具后角為5°的刀具來加工工件，這樣既保證了刀具的剛度，又降低了殘余應力。

4結束語

本文使用Abaqus有限元軟件建立了船用柴油機缸蓋二維高速切削有限元模型，仿真得到了不同切削速度、切削深度及刀具角度下缸蓋表面殘余應力分布規(guī)律。研究表明: 缸蓋表面殘余應力隨切削速度的增加而增加，當切削速度達到高速切削范圍內一定值時，缸蓋表面殘余應力顯著降低；缸蓋表面殘余應力隨切削深度的增加而增大；缸蓋表面最大殘余應力隨刀具前角的增大，先增大后減小，在刀具前角約為10°時最大；缸蓋表面最大殘余應力隨刀具后角的增大，先減小后增大，在刀具后角約為5°時最小。

[參考文獻]

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(編輯趙蓉)

Marine Diesel Engine Cylinder Head High-speed Machining Surface Residual Stress Analysis and Simulation

JING Xu-wen, XUE Long, TIAN Gui-zhong, ZHOU Hong-gen, LI Lei

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

Abstract：In order to reduce marine diesel engine cylinder head high-speed cutting surface residual stress and improve the surface quality, this paper studies the effects of different machining factors on the marine diesel engine cylinder head high-speed cutting surface residual stress. Using J-C constitutive relation and fracture criterion to establish material failure rupture model and based on Abaqus finite element method establishing marine diesel engine cylinder head two dimensional high-speed cutting finite element model, this paper explores the variation of cylinder head surface residual stress under the different cutting speed, cutting depth and tool angle. Studies have shown that a reasonable choice of cutting speed, cutting depth and tool angle can effectively reduce marine diesel engine cylinder head high-speed cutting surface residual stress.

Key words：marine diesel engine cylinder head; high-speed cutting; surface residual stress

文章編號：1001-2265(2016)06-0047-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.012

收稿日期：2015-08-06

*基金項目：某部委基礎科研項目(JCKY2013414C001;JCKY2013206C004)；江蘇科技大學江蘇省船舶先進設計制造技術重點實驗室開放研究基金資助課題(CJ1302)

作者簡介：景旭文(1964—)，男，江蘇金壇人，江蘇科技大學教授，工學博士，研究方向為并行工程、CIMS、虛擬制造、網絡制造，(E-mail)jingxuwen00@sina.com。

中圖分類號：TH16；TG506

文獻標識碼：A