硬鋁合金超精密車削殘余應(yīng)力的仿真及試驗(yàn)

常艷艷，孫 濤，李增強(qiáng)

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱;2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱)

已加工表面殘余應(yīng)力是加工表面質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志，對(duì)機(jī)械零部件的使用性能有著重要影響，并日益受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注［1-5］.經(jīng)超精密車削加工的零件多服役于條件要求比較苛刻的如航空航天、核工業(yè)、精密儀器等領(lǐng)域，這些尖端工業(yè)領(lǐng)域?qū)C(jī)械零件使用性能的要求越來(lái)越高，不僅要求尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度，而且要求加工表面的殘余應(yīng)力也能達(dá)到規(guī)定要求.因此，分析超精密車削表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因，研究其分布規(guī)律對(duì)超精密車削表面質(zhì)量的控制具有重要的理論與實(shí)際意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車削表面殘余應(yīng)力的研究多集中于傳統(tǒng)車削［6-9］，目前，由于實(shí)際的超精密車削多采用微米級(jí)的切削尺度，而對(duì)微米級(jí)超精密車削表面殘余應(yīng)力的報(bào)道并不多見［10-11］，需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究.

本文選用航空常用材料LY12硬鋁合金作為研究材料，使用有限元仿真和切削試驗(yàn)相結(jié)合的方法，采用微米級(jí)的切削深度，對(duì)超精密加工表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究.通過對(duì)LY12超精密車削過程的有限元模擬，分析切削過程的切削力和切削溫度，研究已加工表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因及殘余應(yīng)力的性質(zhì)，仿真得到了切削深度和切削速度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律.針對(duì)切削深度和切削速度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)有限元模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

1 超精密車削的有限元模型

選用Third Wave Systems公司的AdvantEdge對(duì)超精密車削過程進(jìn)行模擬仿真.AdvantEdge在建立二維切削有限元模型時(shí)遵循以下規(guī)則.

1.1 材料本構(gòu)模型

AdvantEdge中的材料本構(gòu)模型:

式中:g(εp)為應(yīng)變硬化函數(shù)，Γ)為應(yīng)變率敏感函數(shù)，Θ(T)為熱軟化函數(shù)，εp為塑性應(yīng)變?yōu)樗苄詰?yīng)變率，T為溫度.

1.2 材料斷裂準(zhǔn)則

AdvantEdge中斷裂準(zhǔn)則為

式中:D為失效參數(shù)為瞬時(shí)應(yīng)變?cè)隽繛樗矔r(shí)失效應(yīng)變.在切削過程中網(wǎng)格單元的應(yīng)變值不斷累積增加，當(dāng)失效參數(shù)D＞1時(shí)單元失效.

1.3 摩擦模型和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分

AdvantEdge中采用庫(kù)倫摩擦模型:

式中:Ff為摩擦力，F(xiàn)n為法向作用力，μ為摩擦系數(shù).

AdvantEdge軟件基于顯式動(dòng)力學(xué)和熱力耦合建立金屬切削的有限元模型，并采用了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)［12］.

1.4 正交切削仿真參數(shù)

在AdvantEdge中建立二維正交切削有限元模型如圖 1 所示，長(zhǎng) 80 μm，高 30 μm.工件材料選取美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的AL2024-T3511，該牌號(hào)對(duì)應(yīng)中國(guó)硬鋁合金牌號(hào)LY12.刀具材料選擇天然單晶金剛石;刀具幾何角度設(shè)置為:前角 0°，后角 9°.切削刃鈍圓半徑為60 nm.刀具和工件的初始溫度為20℃，選擇微切削仿真，不使用冷卻液，根據(jù)金剛石和鋁合金的摩擦系數(shù)范圍0.06～0.13，設(shè)置摩擦系數(shù)為 0.1.

圖1 正交切削有限元模型

2 超精密車削過程的模擬與分析

設(shè)置機(jī)床的切削參數(shù)為:切削速度125.6 m/min，進(jìn)給量 6 μm/r，切削深度 1 μm.超精密車削LY12的模擬仿真過程如圖2所示，從圖2中可以看出，隨著刀具的切入，工件材料首先被刀具前面推擠，之后，在工件的未加工表面形成一個(gè)突起，突起逐漸增長(zhǎng)，開始與前刀面分離，形成一個(gè)卷曲的切屑.當(dāng)切削到指定的切削長(zhǎng)度時(shí)，切屑斷裂，刀具回到初始位置.金剛石切削硬鋁合金LY12時(shí)將產(chǎn)生連續(xù)的帶狀切屑.

2.1 超精密車削切削力分析

在AdvantEdge二維仿真中可以輸出主切削力和吃刀抗力.超精密切削過程中由于切削深度和進(jìn)給量小，切削面積很小，切削力的數(shù)值很小.雖然金剛石車削時(shí)的切削力不大，但由于切削面積很小，單位切削力很大.如圖2中的切削參數(shù)設(shè)置，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)切削時(shí)，主切削力約為0.006 6 N，吃刀 抗 力 約 為 0.0012N，單 位 切 削 力可達(dá)1 100 MPa.切削過程中輸出的切削力如圖3所示.

2.2 超精密車削切削溫度分析

在AdvantEdge二維仿真中可以輸出全部切削過程的切削溫度，如圖2所示.從圖2的溫度輸出可以看出，在全部切削過程中切削溫度不高，僅為25℃左右，略高于初始溫度20℃.同時(shí)，最高切削溫度集中在第一變形區(qū)，而不是位于刀具和工件接觸的區(qū)域.這主要是由于金剛石切削硬鋁合金時(shí)，切削面積小，摩擦系數(shù)小，切削過程中產(chǎn)生的切削熱少，而同時(shí)金剛石具有較高的熱導(dǎo)率，鋁合金本身的導(dǎo)熱系數(shù)也較大，因此，金剛石切削鋁合金時(shí)切削溫度較低.

圖2 LY12鋁合金超精密切削過程仿真

2.3 超精密車削已加工表面殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬

工件已加工表面的殘余應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素不復(fù)存在時(shí)，在物體內(nèi)部依然存在并自身保持著平衡的應(yīng)力.殘余應(yīng)力成因可以歸結(jié)為機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形，熱應(yīng)力引起的塑性變形和相變引起的體積變化.由金剛石切削硬鋁合金的仿真分析可知，切削溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到鋁合金的相變溫度，切削產(chǎn)生的熱應(yīng)力遠(yuǎn)未超過金屬材料的屈服極限，表層將不會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)力而引起塑性變形.殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主導(dǎo)因素應(yīng)該為機(jī)械應(yīng)力，由仿真分析可知，金剛石切削硬鋁合金時(shí)，單位切削力很大.機(jī)械效應(yīng)在已加工表面引起塑性變形的主要原因是由于刀具的鈍圓以及后刀面對(duì)已加工表面產(chǎn)生的擠壓和摩擦作用.金屬表層的塑性變形過程是在里層金屬處于彈性變形的情況下發(fā)生的.如果里層的彈性變形是壓縮變形，則在表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力;如果里層的彈性變形是拉伸變形，則在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力.

參數(shù)設(shè)置同圖2，提取超精密切削仿真過程的塑性應(yīng)變圖，如圖4所示，可以看出，在金剛石切削鋁合金的過程中，塑性應(yīng)變最大值發(fā)生在刀具與工件的接觸區(qū)域，而并不發(fā)生在切削溫度最高的第一變形區(qū).由此可知，機(jī)械效應(yīng)引起的塑性變形是已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因.提取切削過程中的最大主應(yīng)力云圖，如圖5所示.由云圖分析可知，在切削區(qū)域，已加工表面里層的金屬受到拉應(yīng)力，處于拉伸狀態(tài)，則在金屬表層將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力.

在有限元仿真中，工件表面的殘余應(yīng)力一般是指刀具從加工表面移開，工件冷卻到室溫，工件上存在的應(yīng)力.仿真中得到殘余應(yīng)力要經(jīng)過4個(gè)階段，即切削加工階段、卸載階段、約束轉(zhuǎn)換階段和冷卻階段［13-14］.其中的卸載階段和冷卻階段主要是去除切削力和切削熱對(duì)工件應(yīng)力、應(yīng)變分布的影響.圖2(d)切屑斷裂，刀具回到初始位置，這一過程與卸載和冷卻階段相對(duì)應(yīng)，在這一階段提取的殘余應(yīng)力是消除了切削力和切削熱影響的工件表面殘余應(yīng)力;而切削達(dá)到穩(wěn)定后，沒有卸載和冷卻前，也可以提取已加工表面的殘余應(yīng)力，此時(shí)的殘余應(yīng)力沒有消除切削力和切削熱的影響，可以反映穩(wěn)定切削過程中已加工表面殘余應(yīng)力的狀況.圖6是金剛石車削硬鋁合金達(dá)到穩(wěn)定后提取的表面殘余應(yīng)力.可以看到工件表層存在最大殘余壓應(yīng)力，而且壓應(yīng)力隨著距表層距離加大而逐漸變小.因此，進(jìn)一步證明，金剛石切削鋁合金時(shí)，機(jī)械應(yīng)力是形成已加工表面殘余應(yīng)力的主導(dǎo)因素;同時(shí)在切削過程中，已加工表面產(chǎn)生的是壓應(yīng)力.

圖4 切削過程中的塑性應(yīng)變

圖5 切削過程中的最大主應(yīng)力

圖6 切削過程中提取的殘余應(yīng)力

3 切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響分析

設(shè)置正交切削仿真參數(shù)，改變切削參數(shù)，提取切屑斷裂、刀具回到初始位置時(shí)工件表面的殘余應(yīng)力，得到切削深度和切削速度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律及其分布圖［15］.

3.1 切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

設(shè)定切削速度 125.6 m/min，進(jìn)給量 6 μm/r，切削深度分別為1、5、8 μm，工件已加工表面殘余應(yīng)力的分布情況如圖7所示.

圖7 切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

固定切削速度和進(jìn)給量，通過有限元仿真可知，切削深度增大，切削溫度升高，切削力增大.由圖7可知，工件表面冷卻、卸載后，工件表層存在殘余壓應(yīng)力，表層的殘余壓應(yīng)力值隨著切削深度的增加而變大.殘余應(yīng)力的分布隨著距表面距離的加大，應(yīng)力性質(zhì)由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，隨著距表面距離繼續(xù)加大，殘余應(yīng)力的絕對(duì)數(shù)值逐漸減小.其中，切深為1 μm時(shí)，殘余應(yīng)力的影響深度較小，約在距表層10 μm以內(nèi);切深變大時(shí)，影響深度明顯變大.

3.2 切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

設(shè)定進(jìn)給量 6 μm/r，切削深度為 3 μm，切削速度分別為 62.4、94.2、188.4 m/min，工件已加工表面殘余應(yīng)力的分布情況如圖8所示.

圖8 切削速度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響

固定進(jìn)給量和切削深度，增大切削速度，切削溫度增加，切削力隨切削速度的增加變化不大.從圖8可看出，工件表面冷卻、卸載后，表層存在殘余壓應(yīng)力.采用不同的切削速度進(jìn)行超精密車削，隨著切削速度的增大，表層的殘余壓應(yīng)力有減小趨勢(shì).另外，殘余應(yīng)力隨著距表面距離的加大，應(yīng)力性質(zhì)由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，隨著距表面距離繼續(xù)加大，殘余應(yīng)力的絕對(duì)數(shù)值逐漸減小.并且，不同切削速度其轉(zhuǎn)化規(guī)律基本一致.

4 超精密車削殘余應(yīng)力的試驗(yàn)研究

切削機(jī)床為實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)制造的超精密金剛石車削機(jī)床，刀具選用英國(guó)Contour Tools公司制造的天然單晶金剛石刀具，刀具前角為0°，后角為9°.實(shí)驗(yàn)樣件材料為國(guó)產(chǎn)的2A12.樣件采用端面切削.切削前，選用PCD刀具，在一定的切削參數(shù)下進(jìn)行端面平整，然后，對(duì)切削樣件進(jìn)行去應(yīng)力退火的熱處理，最后，選用不同的切削深度對(duì)樣件進(jìn)行超精密車削，得到鏡面.

使用XSTRESS ROBOT應(yīng)力分析儀，采用X射線應(yīng)力測(cè)定方法，測(cè)量樣件的殘余應(yīng)力.該儀器所測(cè)應(yīng)力為二維平面應(yīng)力，測(cè)量深度為10 μm以內(nèi).殘余應(yīng)力的測(cè)試如圖9所示.

圖9 殘余應(yīng)力測(cè)試

設(shè)定機(jī)床切削速度為125.6 m/min，進(jìn)給量為 6 μm/r，切削深度分別為 1、3、5、8、10 μm，工件已加工表面殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果如圖10所示.

設(shè)定進(jìn)給量 6 μm/r，切削深度為 3 μm，切削速 度 分 別 為 31.4、 62.4、 94.2、 125.6、188.4 m/min，工件已加工表面殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果如圖11所示.

從圖10和圖11殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果可以看出，采用不同的切削深度或切削速度，工件已加工表面殘余應(yīng)力的測(cè)量值都為負(fù)，說明加工表面存在殘余壓應(yīng)力.工件表面的壓應(yīng)力隨著切削深度的增加有增加的趨勢(shì)，另外，切削深度為1 μm時(shí)，已加工表面殘余應(yīng)力明顯減小.對(duì)比圖10和圖11，切削深度的改變對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響比切削速度的改變對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響要大.與上述有限元仿真的結(jié)果是一致的.同時(shí)，有限元仿真因?yàn)槟茱@示殘余應(yīng)力距表面深度的分布情況，對(duì)切削試驗(yàn)是一個(gè)有力的補(bǔ)充.實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)值上的偏差與加工材料、工件的初始?xì)堄鄳?yīng)力以及檢測(cè)誤差有關(guān).另外，筆者認(rèn)為在有限元仿真中，提取的殘余應(yīng)力消除了切削力和切削熱的影響，與實(shí)際存在差異，仿真只能定性說明切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響.

圖10 切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖11 切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

5 結(jié) 論

1)采用AdvantEdge對(duì)微米級(jí)切削深度的超精密車削過程進(jìn)行了模擬，仿真結(jié)果表明采用金剛石刀具車削硬鋁合金，切削溫度較低，切削力很小，但單位切削力大.切削力是已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主導(dǎo)因素，已加工表面將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力.

2)通過有限元仿真，得到了切削深度和切削速度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律.切削深度增大，切削溫度升高，切削力增大.表面殘余壓應(yīng)力隨著切削深度的增大而變大，應(yīng)力性質(zhì)由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力.隨著距表面距離繼續(xù)加大，殘余應(yīng)力的絕對(duì)值逐漸減小.在10 μm以內(nèi)的超精密車削中，切削深度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力有明顯影響.切削速度增大，切削溫度增加，切削力隨切削速度的增加變化不大，表面殘余壓應(yīng)力有減小趨勢(shì).切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響比切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響要小.

3)針對(duì)切削深度和切削速度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了車削實(shí)驗(yàn)和應(yīng)力檢測(cè).檢測(cè)結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了有限元仿真的結(jié)論，二者相結(jié)合，為超精密車削表面殘余應(yīng)力的控制打下一定基礎(chǔ).

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