方志洋

(浙江萬鼎精密科技股份有限公司，浙江 杭州 311221)

0 引言

隨著生產(chǎn)需求的不斷增大，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，企業(yè)對刀具的壽命和生產(chǎn)效率都提出了更高的要求。疲勞失效是輪轂軸承主要的失效形式，而疲勞失效往往從表面開始，因此表面完整性對輪轂軸承的使用壽命有很大影響。而表面殘余應(yīng)力和加工硬化是表面完整性的顯著特點(diǎn)，表面殘余應(yīng)力的性能和大小決定了零部件的變形程度、抗疲勞性和耐腐蝕性[1]；加工硬化增加了切削過程中的變形抗力，使產(chǎn)品表面喪失了繼續(xù)變形的能力，從而導(dǎo)致產(chǎn)品繼續(xù)加工變得困難，且硬而脆的表面致使產(chǎn)品切削過程中切削力變大，加速了刀具的磨損[2]。文獻(xiàn)[3]的研究表明，二次切削能得到比一次切削更好的表面質(zhì)量，但未對二次切削后的再加工表面完整性進(jìn)行研究。所以研究走刀次數(shù)對后續(xù)加工產(chǎn)品表面完整性的影響，尤其是粗車一、二次走刀對后續(xù)精加工產(chǎn)品表面完整性的影響，對實(shí)際生產(chǎn)具有很大的指導(dǎo)意義。

本文以某汽車輪轂軸承內(nèi)圈的外表面加工為研究對象，利用AdvantEdge FEM建立二維有限元模型，研究粗車走刀次數(shù)對后續(xù)精車產(chǎn)品表面完整性和粗車刀刀具壽命的影響，為實(shí)際加工提供參考。

1 有限元模型建立

1.1 材料本構(gòu)模型的確定

本文采用適合切削仿真的Johnson-Cook本構(gòu)模型來描述工件材料在不同切削條件下的本構(gòu)關(guān)系。該本構(gòu)模型適用于描述大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫環(huán)境下工件材料的變形情況，其表示形式如下：

σ=[A+Bεn][1+Clnε·ε·0][1-(T-TrTm-Tr)m].

其中：σ為等效塑性應(yīng)力；A為初始屈服應(yīng)力；B為硬化系數(shù)；n為加工硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率系數(shù)；m為熱軟化系數(shù)；ε為等效塑性應(yīng)變；ε·為等效塑性應(yīng)變率；ε·0為參考塑性應(yīng)變率；T為溫度；Tr為環(huán)境溫度；Tm為材料熔點(diǎn)。

1.2 切削模型的確定

切削仿真刀具材料采用系統(tǒng)自帶的Carbide-Grade-P(P類硬質(zhì)合金鋼)，工件模型材料為輪轂軸承大量使用的高碳鉻軸承鋼GCr15，對應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的AISI 52100，模型長15 mm、高4 mm。根據(jù)內(nèi)圈鍛件的實(shí)際加工余量，將粗車工序確認(rèn)為表1中的刀具參數(shù)和切削用量，半精車工序確認(rèn)為表2中的刀具參數(shù)和切削用量，其基礎(chǔ)條件的預(yù)應(yīng)力為粗車工序T1、T2、T3、T4的殘余應(yīng)力。刀具和工件的網(wǎng)格均采用AdvantEdge FEM特有的自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)進(jìn)行劃分。根據(jù)以上切削條件和切削用量綜合考慮將切削模型簡化為二維模型，并建立二維有限元模型,如圖1所示。

2 切削試驗(yàn)仿真結(jié)果與分析

圖2為在表1設(shè)定的切削條件和切削用量下，粗車一/二次走刀過程中主切削力的變化曲線。由圖2可知：在穩(wěn)態(tài)情況下，一次走刀的粗車T1、T2的主切削力明顯比二次走刀的粗車T3、T4的主切削力大；而在走刀次數(shù)相同的情況下，進(jìn)給量的大小決定了主切削力的大小。但在一般車削加工過程中，最大500 N～550 N的主切削力不會對工藝系統(tǒng)造成任何不良的影響。且由圖2可知，一次走刀切削所用的時(shí)間比二次切削所用的時(shí)間少約1/2，根據(jù)切削用量和刀具壽命的關(guān)系可知，切削速度對刀具壽命的影響最大，進(jìn)給量次之，背吃刀量對刀具壽命的影響最小，且刀具壽命不會因背吃刀量的更改而出現(xiàn)放大比例的更改。故在切削速度和進(jìn)給量一定的情況下，粗車一次走刀的刀具加工數(shù)量必定比粗車二次走刀的刀具加工數(shù)量多，這對于提高生產(chǎn)效率、改善加工過程具有很大的指導(dǎo)意義。

表1 粗車試驗(yàn)的刀具參數(shù)和切削用量

表2 半精車試驗(yàn)的刀具參數(shù)和切削用量

圖3為在表2設(shè)定的基礎(chǔ)條件下，半精車過程中主切削力的變化曲線。由圖3可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下，各半精車的主切削力基本保持一致。說明殘余應(yīng)力作為預(yù)應(yīng)力，在表2設(shè)定的切削條件和切削用量下，不會對后續(xù)切削的主切削力產(chǎn)生影響。

圖4為粗車工序后隨深度變化的等效應(yīng)力曲線。由圖4可知：在相同走刀次數(shù)下，表面等效應(yīng)力的數(shù)值變化很小；但在相同進(jìn)給速度下，不同走刀次數(shù)間的表面等效應(yīng)力差值較大，且二次粗車走刀后最大等效應(yīng)力比一次粗車走刀后的最大等效應(yīng)力更大一點(diǎn)。這是因?yàn)槎巫叩妒窃谝淮巫叩懂a(chǎn)生的應(yīng)力場、應(yīng)變場和溫度場的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[3]，因此由于應(yīng)力累積作用二次走刀后的等效應(yīng)力更大些。而根據(jù)文獻(xiàn)[4]的仿真試驗(yàn)結(jié)論，在相同切削條件下，二次切削的等效應(yīng)力值稍小于一次切削的等效應(yīng)力值，從而二次切削過程中材料是更容易發(fā)生屈服的，這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[4]的二次切削模型是不連續(xù)的切削模型，是對一次切削模型的初始條件進(jìn)行了卸載并重新加載了一次切削得到的殘余應(yīng)力作為初始條件而生成的切削模型。而本文的二次走刀切削模型為連續(xù)切削模型，更符合內(nèi)圈實(shí)際加工過程中粗車走刀為連續(xù)加工的情況。

粗車和半精車工序仿真完成后，在距離開始切削起點(diǎn)15%～85%的穩(wěn)態(tài)階段分別取71條線并分別讀取殘余等效塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力，殘余等效塑性應(yīng)變?nèi)∑骄岛笕鐖D5和圖6所示，殘余應(yīng)力取平均值后如圖7和圖8所示。

圖1 切削模型

圖2 一/二次粗車過程中主切削力的變化曲線

圖3 半精車過程中主切削力的變化曲線 圖4 粗車工序后隨深度變化的等效應(yīng)力 圖5 粗車工序后殘余的等效塑性應(yīng)變曲線

由圖5可知，在表1設(shè)定的切削條件和切削用量下，粗車T4二次切削產(chǎn)生的等效塑性應(yīng)變最大，而粗車T1一次切削產(chǎn)生的等效塑性應(yīng)變反而最小。這是因?yàn)楫?dāng)背吃刀量減小時(shí)，切削比壓增大，所以表面層的金屬冷硬程度不僅不會減小，相反卻會增大[5]。

由圖6可知：半精車工序后等效塑性應(yīng)變對工件表面的影響各不相同，說明等效塑性應(yīng)變會受到粗車殘余應(yīng)力的影響，但影響非常小。且由文獻(xiàn)[6]可知，加工表面的硬度和等效塑性應(yīng)變之間存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，其表面的維氏硬度與殘余的等效塑性應(yīng)變之間的計(jì)算公式為：

HV=CK(εres+ε0)n/9.8.

其中：HV為維氏硬度；C為比例系數(shù)；K為強(qiáng)度系數(shù)；εres為加工表面等效塑性應(yīng)變；ε0為壓頭引入的殘余應(yīng)變。

而由文獻(xiàn)[7]可知，GCr15在退火狀態(tài)下的硬化指數(shù)n=0.21，強(qiáng)度系數(shù)K=960。并根據(jù)圖6所示的各半精車工序表面的殘余等效塑性應(yīng)變計(jì)算，其表面硬度差值很難大于10HV，說明一/二次粗走刀產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力對后續(xù)半精車產(chǎn)生加工硬化的影響不大。

由圖7和圖8可知：工件經(jīng)過粗車和半精車工序后，近表面呈拉應(yīng)力，而工件內(nèi)部則呈現(xiàn)壓應(yīng)力，并隨著深度的不斷增加殘余應(yīng)力減小并趨向于0；粗車二次走刀受到粗車一次走刀產(chǎn)生的應(yīng)力場、溫度場的影響，其近表面的拉應(yīng)力更大；而半精車在粗車殘余應(yīng)力作為預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行切削，就會出現(xiàn)半精車后切削方向的殘余應(yīng)力與粗車后切削方向的殘余應(yīng)力呈正相關(guān)的關(guān)系。但輪轂軸承在半精車后會進(jìn)行熱處理以改善工件局部的硬度和金相組織，并消除應(yīng)力提高加工性能，所以半精車的表面殘余應(yīng)力不會對產(chǎn)品造成實(shí)質(zhì)影響。

圖6 半精車工序后殘余的等效 圖7 粗車工序后隨深度變化的 圖8 半精車工序后隨深度變化的塑性應(yīng)變曲線切削方向殘余應(yīng)力切削方向殘余應(yīng)力

3 結(jié)論

本文通過AdvantEdge FEM對退火態(tài)軸承鋼GCr15建立二維有限元模型，用于研究粗車走刀次數(shù)對于后續(xù)半精車產(chǎn)品表面完整性和粗車刀刀具壽命的影響，模擬了粗車一/二次走刀，并將粗車完成后的殘余應(yīng)力作為半精車的初始預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了切削模擬，經(jīng)過分析得出以下結(jié)論：

(1) 在試驗(yàn)條件下，粗車一次走刀需要比粗車二次走刀更加大的主切削力，但其切削力不足以對工藝系統(tǒng)造成影響。而且粗車一次走刀能節(jié)約一半的加工時(shí)間，且能夠提高刀具的使用壽命。

(2) 由于應(yīng)力累積作用，粗車二次走刀后的半精車工序在切削后能夠得到更大的等效應(yīng)力，從而更加不容易屈服。而粗車不同走刀次數(shù)的殘余應(yīng)力對半精車后殘余的等效塑性應(yīng)變有影響。但根據(jù)維氏硬度與等效塑性應(yīng)變之間的關(guān)系，其對表面硬度的影響非常小。

(3) 二次走刀的粗車及后續(xù)半精車工序都會因?yàn)樽叩洞螖?shù)的增加而累積產(chǎn)生更大的表面拉應(yīng)力，而粗車一次走刀后的半精車?yán)鄯e的拉應(yīng)力更小，但在后續(xù)熱處理工藝后，表面拉應(yīng)力能夠被消除。

綜上所述，在合適條件下減少粗車走刀次數(shù)，能夠有效提高生產(chǎn)效率和刀具壽命。