占 剛，何 林，蔣宏婉，鄒中妃

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州師范學(xué)院，貴陽 550018；3.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000)

硬質(zhì)合金微坑車刀切削304不銹鋼殘余應(yīng)力有限元仿真*

占 剛1,3，何 林2,1，蔣宏婉1，鄒中妃1

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州師范學(xué)院，貴陽 550018；3.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000)

為了研究硬質(zhì)合金微坑車刀對(duì)304不銹鋼表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，采用有限元仿真平臺(tái)建立二維切削模型，用不同切削參數(shù)車削304不銹鋼，得到切削參數(shù)對(duì)切削力、切削溫度及殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：表面殘余拉應(yīng)力和里層殘余壓應(yīng)力隨切削速度的增大均先增大后減小，而隨著進(jìn)給量的增大，表面殘余拉應(yīng)力逐漸減小，里層殘余壓應(yīng)力逐漸增大。

殘余應(yīng)力；有限元模擬；304不銹鋼

0 引言

金屬切削加工過程中的高溫、高熱和大塑性變形會(huì)在已加工表面形成殘余應(yīng)力[1-2]。殘余拉應(yīng)力會(huì)降低零件的抗疲勞強(qiáng)度能力，導(dǎo)致零件在使用過程中的不穩(wěn)定性[3]。殘余應(yīng)力的研究受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-6]。李建楠等[7]建立正交切削有限元模型，研究了切削速度、切削厚度和刀具參數(shù)對(duì)316L鋼的表面殘余應(yīng)力分布規(guī)律。劉二亮等[8]研究了車刀涂層對(duì)殘余應(yīng)力的影響。李萬鐘等[9]采用有限元方法研究了硬態(tài)切削軸承鋼GGr15的殘余應(yīng)力分布。孫雅洲等[10]用有限元方法研究了不同切削參數(shù)和刀具角度車削航空鋁合金Al2Al2的殘余應(yīng)力分布，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。孟龍暉等[11]運(yùn)用X射線結(jié)合有限元分析方法分析了用不同切削參數(shù)車削TC4對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響。以上成果大多從切削參數(shù)、刀具角度、涂層等對(duì)殘余應(yīng)力展開研究，少有針對(duì)自主設(shè)計(jì)刀具性能研究角度來展開。本文針對(duì)自主設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金微坑車刀，通過有限元仿真方法，以304不銹鋼已加工表面殘余應(yīng)力為研究對(duì)象，分析切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 有限元模型

本文以自貢硬質(zhì)合金工具廠304不銹鋼專用硬質(zhì)合金原車刀為基礎(chǔ)，如圖1a所示，在保證刀具制造精度、主切削刃強(qiáng)度和微坑涂層結(jié)合力條件下，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)可轉(zhuǎn)位新型微坑車刀如圖1b所示，微坑邊緣距主切刃0.34 mm,距副切刃0.28 mm,微坑長為1.17 mm，寬為0.75 mm，最大微坑深度為0.1 mm；圖1c為新型微坑車刀微坑放大圖。采用Third Wave AdvantEdge二維切削作為有限元仿真平臺(tái)，材料本構(gòu)模型為仿真平臺(tái)自帶的Power-Law本構(gòu)模型，模型材料從材料庫中選用304不銹鋼，刀具采用自主設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金微坑車刀，刀具材料為Carbide-Grade-K，涂層材料為TiAlN，厚度為0.005mm，刀具前角為8°，后角為7°，有限元模型如圖2所示。

(a)原車刀 (b)新型微坑車刀 (c) 微坑放大圖圖1 原車刀和新型微坑車刀

圖2 有限元模型

2 有限元模擬結(jié)果及分析

對(duì)切削力和切削溫度有影響的因素也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，一般來說，產(chǎn)生殘余應(yīng)力有三個(gè)方面的原因：①機(jī)械載荷引起的應(yīng)力；②熱載荷引起的應(yīng)力；③相變引起的應(yīng)力。對(duì)于金屬切削來說，機(jī)械載荷和熱載荷是引發(fā)殘余應(yīng)力的主要原因[12]。

為研究切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響機(jī)理，首先研究切削參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律。圖3為切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律，由圖3可以看出，隨著切削速度的增加切削力Fx和Fy均呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)速度超過150m/min之后，切削力Fx和Fy又均呈急劇減小的趨勢(shì)。

(a)Fx隨切削速度的變化 (b)Fy隨切削速度的變化圖3 切削速度對(duì)切削力的影響

圖4為進(jìn)給量對(duì)切削力的影響，隨著進(jìn)給量的增大，切削力Fx和Fy均呈接近線性增加的趨勢(shì)。

(a)Fx隨進(jìn)給量的變化 (b)Fy隨進(jìn)給量的變化圖4 進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

圖5為切削參數(shù)對(duì)刀屑接觸面溫度的影響，隨著切削速度的增大，刀屑接觸面溫度呈接近線性增加的趨勢(shì)。隨著進(jìn)給量的增大，刀屑接觸面溫度呈較小波動(dòng)上升的趨勢(shì)。

(a)切削溫度隨切削速度的變化 (b)切削溫度隨進(jìn)給量的變化圖5 切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響

X方向的殘余應(yīng)力σxx是切削速度方向的殘余應(yīng)力，為工件表層的主要應(yīng)力，Y方向的殘余應(yīng)力σyy是垂直于切削表面的殘余應(yīng)力，相對(duì)較小，大部分研究都忽略Y方向的殘余應(yīng)力場(chǎng)，將X方向的應(yīng)力σxx默認(rèn)為工件的殘余應(yīng)力[13]。

切削速度對(duì)工件表層殘余應(yīng)力的影響如圖6a所示，工件的殘余拉應(yīng)力在表層迅速下降轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，并在300～400μm之間達(dá)到最大值，隨著距表面深度的進(jìn)一步增加而逐步減小，應(yīng)力逐漸恢復(fù)到零附近，切削速度對(duì)應(yīng)力層深度的影響不大。進(jìn)給量對(duì)工件表層殘余應(yīng)力的影響如圖6b所示，同樣工件的殘余拉應(yīng)力在表層迅速下降轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，并在300～400μm之間達(dá)到最大值，隨著距表面深度的進(jìn)一步增加而逐步減小，應(yīng)力逐漸恢復(fù)到零附近，由圖6b還可以看出，隨著進(jìn)給量的增大，應(yīng)力層的深度有逐步加大的趨勢(shì)。

(a)殘余應(yīng)力σxx隨切削速度的變化 (b)殘余應(yīng)力σxx隨給進(jìn)量的變化圖6 殘余應(yīng)力σxx隨切削參數(shù)的變化

切削速度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響如圖7a所示，在工件的已加工表面殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，當(dāng)切削速度由60m/min增大到120m/min過程中，表面殘余拉應(yīng)力呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)；當(dāng)切削速度由120m/min增大到150m/min過程中，殘余拉應(yīng)力呈現(xiàn)較大幅度的增加；而當(dāng)切削速度超過150m/min之后，表面殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度的下降。

切削速度對(duì)工件里層最大殘余應(yīng)力的影響如圖7b所示，在工件里層最大殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，同樣當(dāng)切削速度由60m/min增大到120m/min過程中，里層最大殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)；當(dāng)切削速度由120m/min增大到150m/min過程中，里層最大殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)較大幅度的增加；而當(dāng)切削速度超過150m/min之后，里層最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

(a)表面殘余應(yīng)力隨切削速度的變化 (b)里層殘余應(yīng)力隨切削速度的變化圖7 殘余應(yīng)力σxx隨切削速度的變化

進(jìn)給量對(duì)表面殘余拉應(yīng)力的影響如圖8a所示，隨著進(jìn)給量的增加，表面殘余拉應(yīng)力總體下降。當(dāng)進(jìn)給量由0.1mm/r增加到0.15mm/r的過程中，表面殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)了較大幅度的下降；當(dāng)進(jìn)給量由0.15mm/r增加到0.3mm/r的過程中，表面殘余拉應(yīng)力的下降趨勢(shì)較為緩慢。

進(jìn)給量對(duì)里層最大殘余壓應(yīng)力的影響如圖8b所示，隨著進(jìn)給量的增加，里層最大殘余壓應(yīng)力總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)給量由0.1mm/r增加到0.2mm/r的過程中，里層最大殘余壓應(yīng)力較為緩慢的增加；當(dāng)進(jìn)給量由0.2mm/r增加到0.25mm/r的過程中，里層最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度增加；而后，隨著進(jìn)給量的進(jìn)一步增加，里層最大殘余壓應(yīng)力繼續(xù)較為緩慢的增加。

(a)表面殘余應(yīng)力隨進(jìn)給量的變化 (b)里層殘余應(yīng)力隨進(jìn)給量的變化圖8 殘余應(yīng)力σxx隨進(jìn)給量的變化

在304不銹鋼切削過程中，隨著切削速度的增大，切削力逐漸升高，工件在越來越大的機(jī)械應(yīng)力作用下，材料在切削速度方向上受擠壓變形程度越大，工件表層材料在彈性變形恢復(fù)時(shí)受到里層材料牽制越大；同時(shí)，隨著切削速度的增大，切削溫度逐漸增大，工件材料受熱膨脹，刀屑接觸界面相比較里層材料有更高的溫度，溫度的不均勻分布使得金屬材料有不同的變形程度，溫度越高的部位，變形越大；而在完成切削之后，工件冷卻至室溫的過程中，表層散熱較快，里層金屬由于304不銹鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)低，熱量不易傳出，表層金屬材料的體積收縮收到里層金屬的牽制；因此，在此過程中金屬材料在熱力耦合作用下，已加工表面產(chǎn)生越來越大的殘余拉應(yīng)力，而在里層產(chǎn)生越來越大的殘余壓應(yīng)力。隨著切削速度的進(jìn)一步增大，當(dāng)超過150m/mim之后，切削溫度進(jìn)一步上升，工件材料受到的熱軟化效應(yīng)超過加工硬化效應(yīng)，工件材料的強(qiáng)度和硬度減小，切削力降低，金屬材料受到的擠壓變形減小，表層金屬材料受到里層材料的牽制作用減??；同時(shí)，由于切削力減小而使得塑性變形區(qū)域減小，從而產(chǎn)生較少的切削熱；因此，在力熱耦合作用下，已加工表面的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力均呈減小的趨勢(shì)。隨著進(jìn)給量的增大，參與切削的切削刃長度增加，切削力逐漸增大，切削溫度也逐漸升高，同理，在熱力耦合作用下，已加工表面產(chǎn)生越來越大的殘余拉應(yīng)力，而在里層產(chǎn)生越來越大的殘余壓應(yīng)力。

3 結(jié)論

本文采用專業(yè)切削有限元模擬軟件Third Wave AdvantEdge建立二維切削模型，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬，綜合考慮機(jī)械載荷和熱載荷對(duì)殘余應(yīng)力的影響，本文主要得出如下結(jié)論：

(1)表面殘余拉應(yīng)力和里層殘余壓應(yīng)力隨切削速度的變化和切削力隨著切削速度的變化有相同的規(guī)律，均呈先增大后減小的趨勢(shì)。

(2)隨著進(jìn)給量的增大，表面殘余拉應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，里層殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

(3)對(duì)比切削速度和進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響，切削速度對(duì)表面殘余拉應(yīng)力的影響更大，進(jìn)給量對(duì)里層殘余壓應(yīng)力的影響更大。

(4)綜合考慮切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，宜選取較大切削速度來降低表面殘余拉應(yīng)力，選取較小進(jìn)給量來降低里層殘余壓應(yīng)力，推薦切削參數(shù)為vc=180m/min,f=0.2mm/r。

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(編輯 李秀敏)

Finite Element Simulation of Residual Stress in 304 Stainless Steel by Cemented Carbide Micro Pits Tool

ZHAN Gang1,3， HE Lin2,1，JIANG Hong-wan1，ZOU Zhong-fei1

(1.College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China;2. Guizhou Normal College, Guiyang 550018，China)

In order to study the influence of tool carbide micro pits on surface residual stress of 304 stainless steel, a two-dimensional cutting model using the finite element simulation platform with different cutting parameters in turning 304 stainless steel, cutting parameters on cutting force, cutting temperature and residual stress distribution was investigated. The results show that the surface residual tensile stress and residual stress layer increases with the increase of cutting speed increased and then decreased with the increasing of the amount of feed, the surface residual tensile stress gradually decreases in the residual stress layer increases gradually.

residual stress; finite element simulation; 304 stainless steel

1001-2265(2017)08-0037-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.009

2017-01-25；

2017-03-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51265005，51665007)；教育部博士點(diǎn)基金(20125201110001)

占剛(1979—)，男，湖北京山縣人，貴州大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)榈毒邉?chuàng)新設(shè)計(jì)研究，(E-mail)zhangangbmw@163.com；通訊作者：何林(1965—)，男，四川鹽亭縣人，貴州大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榈毒邉?chuàng)新設(shè)計(jì)、摩擦與表面工程研究，(E-mail)helin6568@163.com。

TH142;TG51

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