干式銑削對淬硬鋼表面殘余應力的影響研究

唐德文，何宇航，王利偉，唐海龍

(1.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001；2.湖南省核燃料循環技術與裝備協同創新中心，湖南 衡陽 421001)

1 引言

隨著現代高速加工技術快速發展，加上超硬質合金材料和耐熱、耐磨損涂層的出現，干式硬銑削可直接用于加工淬硬剛及硬質合金材料，取代了傳統的加工方法[1]。干式銑削可以大幅度的提高加工效率，簡化了生產工藝，降低了生產成本，也減少了環境的污染，被稱為了一種綠色的加工工藝[2]。其在加工過程中需要配備優良的切削刀具、機床以及相應的輔助設備來降低切削過程中產生的熱量、潤滑刀具、保證切屑順暢排出等條件[3]。SKD11淬硬冷作模具鋼和國內高碳、高烙的Cr12MoV合金鋼相似，其碳含量通常在(1.1～1.6)%之間[4]。冷作模具剛常被應用于摩擦力與壓應力高的工作環境，因此要求材料具有硬度高(高達58HRC以上)、強度大、耐磨性好的特性。SKD11材料由于其內部含有大量馬氏體組織和高的含碳量，使得該材料具備硬度高，耐磨性和淬透性好，韌性優良等特點，可用于冷沖壓模、冷鍛模、成形軋輥等[5-6]。

金屬切削加工過程常常伴隨著高溫、高壓、高應變率的塑性變形的物理變化，其對加工后材料表面的性能會產生重大影響，使材料表面產生殘余拉-壓兩種不同應力。殘余應力的大小、特點、及分布情況會對材料的耐用度，疲勞強度和抗腐蝕性能產生嚴重的影響，同時材料幾何形狀的穩定性也會產生影響[1]。現階段，從理論上直接對殘余應力的產生機理進行研究還存在一定的難度，殘余應力的產生是一種比較復雜熱-力耦合的熱彈性過程，主要受切削參數、機床設備精度、切削溫度、切削力、刀具幾何參數、加工方法等因素的影響；從加工表面形成的過程進行分析，引起殘余應力的三個主要原因是機械應力、熱應力、金屬相變[7]。

以高硬度的SKD11淬硬鋼為研究對象，利用Johnson-Cook材料本構模型建立有限元二維正交切削模型，將切削實驗數據作為參考對模型進行驗證和修正；并利用正確仿真模型分析不同切削參數對殘余應力的影響情況，對其產生原因進行分析，得出適當的減小切削速度和增大切削深度，可以有效的降低殘余應力對SKD11淬硬鋼表面加工質量的影響。

2 切削加工試驗

在高速切削加工過程中，對于難加工的超硬質材料，一般使用涂層刀具和硬質合金等刀具，其刀具價格昂貴，對于材料切削特性研究實驗成本較高。因此采用實驗和仿真對比驗證的方法，簡化實驗，設計同參數多組切削實驗，為后面模型的建立提供參考依據。

試驗條件本試驗對SKD11淬硬鋼進行干式銑削加工，工件形狀呈長方體(330×60×10)mm，材料的物理性能，如表1所示。實驗選用機床為南通V600數控立式銑削加工中心，其主軸轉速為(0～8000)r/min，進給速度為(0～5)m/min。刀具選用螺旋角為30°的右旋TiAlN涂層的四刃平底銑刀進行切削實驗(HM-D10-4E)，刀具總長為75mm，刀具直徑為10mm，如圖1所示。本實驗切削參數設置為切削速度vc=300m/min，每齒進給量fz=0.05mm/z，切削深度ap=0.2mm徑向切削寬度ae=8mm。

圖1 30°螺旋角右旋涂層(TiAlN)四刃平底銑刀Fig.1 130 Degree Spiral Angle Right-Hand Coating(TiAlN)Four Edge Fat End

表1 SKD11淬硬鋼的物理性能Tab.1 Physical Properties of SKD11 Hardened Steel

表2 刀具材料參數Tab.2 Tool Material Parameters

殘余應力測量 在測量上利用球形壓痕法殘余應力測量裝置來測量試樣表面的殘余應力，如圖2所示。對于材料淺表層殘余應力的測量，如圖3所示。利用電化學腐蝕模擬金屬表面剝層的方法，將試樣的表層逐層剝除，同時逐層對其表面進行測量。

圖2 壓痕法殘余應力測量裝置Fig.2 Indentation Residual Stress Measuring Device

圖3 殘余應力實驗數據測量(距表面約55um)Fig.3 Measurement of Residual Stress Experimental Data(About 55um From The Surface)

3 建立切削有限元模型

二維切削仿真幾何模型 在金屬切削模型中二維正交模型是比較常用的有限元分析模型，其應用廣泛，可幫助分析金屬切削的內在機理，減少了切削實驗成本，降低實驗時間，是研究切屑形態、切削力、殘余應力、刀具磨損等加工參數優化的有效工具[7]。采用商業軟件DEFORM-2D進行有限元數值分析[8]，建立的二維正交切削仿真模型，也被稱為簡化后的物理模型和正交切削模型，切削時模型變形只發生在與切削刃垂直的平面內。參數設置中切削寬度大于切削厚度的五倍，所以模型又可以簡化為平面應變的問題。模型工件材料設置為理想的熱彈塑性體，同時材料內部滿足均勻連續、各向異性、且遵循Miss屈服準則，切屑流動過程滿足連續且穩定的特點；其工件形狀簡化成長方形，幾何尺寸為(5.5×2.5)mm。

為避免刀具磨損對實驗結果的影響，其刀具模型設置為鋼體，將刀具視作為零磨損。在進行材料切削實驗時，每一個試樣采用新刀具進行切削，該方法主要是為了減小刀具磨損，減小實驗和模型的誤差。

材料本構模型金屬切削是一個高應變、高應變率和高溫的過程[1]，在分析殘余應力時，一般采用Johnson-Cook(JC)材料本構模型[9-10]，其模型表達式如下所示：

式中：A—準靜態條件下的屈服強度；B—材料硬化模量；—等效塑性應變；n—材料硬化指數；C—材料應變強化參數；˙—等效塑性應變率；—準靜態應變率；Tr—參考力學溫度；Tm—材料熔點熱力學溫度；m—材料熱軟化系數。

表3 SKD11淬硬鋼的J-C本構模型參數Tab.3 J-C Constitutive Model Parameters For SKD11 Hardened Steel

二維干式切削仿真過程 模擬切削過程中為了獲得準確的加工表層殘余應力的數值信息，模擬過程須遵循加工、退刀、冷卻、解除約束四個階段[4]。在加工階段刀具沿著X軸的負方向以給定的切削速度做直線運動，直到進入切削穩定狀態，如圖4(a)所示。在退刀階段刀具沿著于X軸正方向成30°的直線方向以一定的速度退離刀切削區域外，此階段主要是消除刀具對工件應力的影響，如圖4(b)所示。在冷卻階段，為使模擬實驗接近實際環境中工件冷卻至常溫的過程，來消除切削溫度對工件應力-應變的影響，需提高模型的運算時間，并加大模型的運算步長，如圖4(c)所示。在解除接觸階段，此階段將解除工件在加工區的邊界約束條件，使工件材料內部組織結構能夠自由伸展，其解除邊界條件是為了消除外界約束對加工表面應力和應力分布的影響，如圖4(d)所示。

圖4 二維銑削模擬加工應力分布圖(a，b，c，d四個階段)Fig.4 Diagram of Simulated Machining Stress Distribution in Two-Dimensional Milling(Four Stages of a，b，c And d)

4 分析與討論

正常情況下，加工后的金屬表面上的殘余應力一般分布在材料淺表層，本模擬實驗主要對距表層0.5mm深度范圍內的殘余應力進行分析，分析過程利用Deform-2D/3D Post軟件后處理程序對模型仿真結果進行處理。二維模擬切削過程中，由于刀具沿x軸方向進行切削，因此容易引起工件加工表面材料產生沿x軸方向的應力，而沿y軸方向的應力較小，所以這里也主要對x軸方向的殘余應力進行分析。

4.1 切削速度對殘余應力的影響

不同深度l(距離切削表層深度)下材料表面殘余應力的分布情況，圖中由空心圖標連接起來的四條曲線表示的是四種不同切削速度(其分別為100m/min、200m/min、300m/min、400m/min)在切削深度為0.2mm的殘余應力分布曲線，實心圖標連接起來的曲線表示的是切削速度在300m/min時實驗測量得的殘余應力，如圖5所示。從圖5中可以看出，實驗和仿真得出殘余應力分布曲線的變化趨勢相同，其形狀成“勺”字型，且距表面深度在(0～0.1)mm范圍內時，殘余應力曲線下降速率較大；對比切削速度在300m/min的實驗和仿真結果得出仿真誤差小于16%，因此可以判斷模擬比較準確。

開始時四種不同切削速度對應的殘余應力曲線初始值都為正(零線以上)，且切削速度越大對應的初始殘余應力的值也越大，說明此時殘余應力為沿X軸方向拉應力。隨著深度l的增大，其殘余應力逐漸減小至零線以下，拉應力逐漸向壓應力開始變換，四條仿真曲線在l＜0.1mm區域時完成拉-壓應力的轉變，且殘余拉應力逐漸增大。切削速度從100m/min增至400m/min，表面殘余應力值也從389MPa增大到594MPa，說明提高切削速度時，雖然使切削力減小，但是單位時間內刀具端刃對工件的碾壓和摩擦的作用增強了，材料表層溫度升高，導致材料表層塑性變形能力增大；材料內部的壓應力也逐漸增大，其增大原因是切削溫度的升高使得材料切削變形增大，熱應力和機械應力對材料的影響深度增大，內部殘余應力影響也增大。從圖像也可以看出在切削力越大時殘余應力曲線下降越快，其材料內部殘余壓應力值也越大。

在深度l＜0.2mm區域時，殘余應力達到最大值，說明此深度范圍內材料內部變形最為嚴重。但隨著l逐漸增大時，材料內部壓應力開始減小，最后在l=0.5mm時基本趨近于0線(殘余應力為零)，說明此時工件內部已經停止變形。

綜上所述，控制其他因素不變情況下，高速銑削SKD11淬硬鋼材料時，切削速度的提高會增大工件表面殘余拉應力和內部最大殘余壓應力的數值，但是卻降低了材料變質層的深度l。

圖5 不同切削速度下表面殘余應力分布曲線(ap=0.2mm)Fig.5 Surface Residual Stress Distribution Curves at Different Cutting Speeds(ap=0.2mm)

4.2 切削深度對殘余應力的影響

圖6描述了不同深度l下材料表面殘余應力的分布情況，圖中空心圖標連接起來的四條曲線表示的是在四種切削深度(其分別為0.2mm，0.4mm，0.6mm，0.8mm)在切削速度為200m/min的殘余應力分布曲線，在材料表面(l=0mm)，殘余應力主要是拉應力，且隨著切削深度的增大其表面殘余拉應力也減小；當l不斷增大時，在l＜0.1mm時其殘余拉應力逐漸減小，最后在0.1mm附近達到0線處(殘余應力為零)，此時拉-壓應力開始轉換。在l為(0.1～0.2)mm范圍內時，殘余壓應力數值達到最大值，之后隨著l的增大其殘余拉應力開始減小，在l=0.5mm附近逐漸趨近于零，其材料內部變形也基本結束。切削深度從0.8mm減小至0.2mm，表層殘余拉應力從63MP增大至420MPa，材料內部殘余壓應力從-70MPa增大至-208MPa；因此從圖像可以看出殘余應力曲線變化速率越小時，殘余應力對材料內部的影響越小，且材料內部變質層深度也越小。

造成上述這一現象的原因是：切削深度對加工材料表面溫度影響效果不同，切削深度越大，其切削帶走的切屑就越多，帶走的切削熱的比例也就越大，使得材料表面溫度相對降低，其塑性變形也就越小，熱應力和機械作用力對材料表面影響程度也越小，反之，影響程度就越大。同時，切削深度增大時對材料的切削力也就增大，刀具后刀面對加工表面的擠壓也增大，刀具對材料的力學影響程度就越大。結合這兩點進行分析可知，刀具對工件的力學影響程度遠小于切削熱對材料表面應力影響程度，所以隨著切削深度增大時，熱應力影響作用減小，材料塑性變形程度減小，表面殘余拉應力及內部壓應力就越小，材料內表層影響深度l也就越小。

綜上所述，在一定條件下，適當的增大切削層深度，可以有效的降低殘余應力對材料表面的影響程度，材料內部塑性變形的影響深度也相對減小。

圖6 不同切削深度下表面殘余應力分布曲線(v=200m/min)Fig.6 Surface Residual Stress Distribution Curves under Different Cutting Depths(v=200m/min)

5 總結

(1)利用商業軟件DEFORM-2D建立了SKD11淬硬鋼材料干式切削仿真模型，通過實驗驗證的方法，設計相同的實驗和仿真試驗條件，對實驗數據分析驗證得出仿真模型的正確性(誤差小于16%)。(2)切削深度一定時，適當的增大切削速度，單位時間內刀具對工件的擠壓和摩擦效應增強，導致材料表面殘余拉應力增大，但卻降低了材料變質層的深度l。(3)切削速度一定時，適當的增大切削深度，可以有效的降低殘余應力對材料表面的影響程度，其材料內部塑性變形的影響深度l也相對減小。