基于AdvantEdge走刀次數對產品表面質量的影響

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

隨著生產需求的不斷增大，在保證產品質量的同時，企業對刀具的壽命和生產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。而表面殘余應力和加工硬化是表面完整性的顯著特點，表面殘余應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，使產品表面喪失了繼續變形的能力，從而導致產品繼續加工變得困難，且硬而脆的表面致使產品切削過程中切削力變大，加速了刀具的磨損[2]。文獻[3]的研究表明，二次切削能得到比一次切削更好的表面質量，但未對二次切削后的再加工表面完整性進行研究。所以研究走刀次數對后續加工產品表面完整性的影響，尤其是粗車一、二次走刀對后續精加工產品表面完整性的影響，對實際生產具有很大的指導意義。

本文以某汽車輪轂軸承內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，研究粗車走刀次數對后續精車產品表面完整性和粗車刀刀具壽命的影響，為實際加工提供參考。

1 有限元模型建立

1.1 材料本構模型的確定

本文采用適合切削仿真的Johnson-Cook本構模型來描述工件材料在不同切削條件下的本構關系。該本構模型適用于描述大應變、高應變率和高溫環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為等效塑性應力；A為初始屈服應力；B為硬化系數；n為加工硬化指數；C為應變率系數；m為熱軟化系數；ε為等效塑性應變；ε·為等效塑性應變率；ε·0為參考塑性應變率；T為溫度；Tr為環境溫度；Tm為材料熔點。

1.2 切削模型的確定

切削仿真刀具材料采用系統自帶的Carbide-Grade-P(P類硬質合金鋼)，工件模型材料為輪轂軸承大量使用的高碳鉻軸承鋼GCr15，對應系統內的AISI 52100，模型長15 mm、高4 mm。根據內圈鍛件的實際加工余量，將粗車工序確認為表1中的刀具參數和切削用量，半精車工序確認為表2中的刀具參數和切削用量，其基礎條件的預應力為粗車工序T1、T2、T3、T4的殘余應力。刀具和工件的網格均采用AdvantEdge FEM特有的自適應網格重劃分技術進行劃分。根據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 切削試驗仿真結果與分析

圖2為在表1設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：在穩態情況下，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；而在走刀次數相同的情況下，進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間比二次切削所用的時間少約1/2，根據切削用量和刀具壽命的關系可知，切削速度對刀具壽命的影響最大，進給量次之，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放大比例的更改。故在切削速度和進給量一定的情況下，粗車一次走刀的刀具加工數量必定比粗車二次走刀的刀具加工數量多，這對于提高生產效率、改善加工過程具有很大的指導意義。

表1 粗車試驗的刀具參數和切削用量

表2 半精車試驗的刀具參數和切削用量

圖3為在表2設定的基礎條件下，半精車過程中主切削力的變化曲線。由圖3可知，在穩定狀態下，各半精車的主切削力基本保持一致。說明殘余應力作為預應力，在表2設定的切削條件和切削用量下，不會對后續切削的主切削力產生影響。

圖4為粗車工序后隨深度變化的等效應力曲線。由圖4可知：在相同走刀次數下，表面等效應力的數值變化很??；但在相同進給速度下，不同走刀次數間的表面等效應力差值較大，且二次粗車走刀后最大等效應力比一次粗車走刀后的最大等效應力更大一點。這是因為二次走刀是在一次走刀產生的應力場、應變場和溫度場的基礎上進行的[3]，因此由于應力累積作用二次走刀后的等效應力更大些。而根據文獻[4]的仿真試驗結論，在相同切削條件下，二次切削的等效應力值稍小于一次切削的等效應力值，從而二次切削過程中材料是更容易發生屈服的，這是因為文獻[4]的二次切削模型是不連續的切削模型，是對一次切削模型的初始條件進行了卸載并重新加載了一次切削得到的殘余應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切削模型，更符合內圈實際加工過程中粗車走刀為連續加工的情況。

粗車和半精車工序仿真完成后，在距離開始切削起點15%～85%的穩態階段分別取71條線并分別讀取殘余等效塑性應變和殘余應力，殘余等效塑性應變取平均值后如圖5和圖6所示，殘余應力取平均值后如圖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力 圖5 粗車工序后殘余的等效塑性應變曲線

由圖5可知，在表1設定的切削條件和切削用量下，粗車T4二次切削產生的等效塑性應變最大，而粗車T1一次切削產生的等效塑性應變反而最小。這是因為當背吃刀量減小時，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變對工件表面的影響各不相同，說明等效塑性應變會受到粗車殘余應力的影響，但影響非常小。且由文獻[6]可知，加工表面的硬度和等效塑性應變之間存在著一定的數學關系，其表面的維氏硬度與殘余的等效塑性應變之間的計算公式為：

HV=CK(εres+ε0)n/9.8.

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

而由文獻[7]可知，GCr15在退火狀態下的硬化指數n=0.21，強度系數K=960。并根據圖6所示的各半精車工序表面的殘余等效塑性應變計算，其表面硬度差值很難大于10HV，說明一/二次粗走刀產生的預應力對后續半精車產生加工硬化的影響不大。

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

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變曲線切削方向殘余應力切削方向殘余應力

3 結論

本文通過AdvantEdge FEM對退火態軸承鋼GCr15建立二維有限元模型，用于研究粗車走刀次數對于后續半精車產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力作為半精車的初始預應力進行了切削模擬，經過分析得出以下結論：

(1) 在試驗條件下，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造成影響。而且粗車一次走刀能節約一半的加工時間，且能夠提高刀具的使用壽命。

(2) 由于應力累積作用，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力，從而更加不容易屈服。而粗車不同走刀次數的殘余應力對半精車后殘余的等效塑性應變有影響。但根據維氏硬度與等效塑性應變之間的關系，其對表面硬度的影響非常小。

(3) 二次走刀的粗車及后續半精車工序都會因為走刀次數的增加而累積產生更大的表面拉應力，而粗車一次走刀后的半精車累積的拉應力更小，但在后續熱處理工藝后，表面拉應力能夠被消除。

綜上所述，在合適條件下減少粗車走刀次數，能夠有效提高生產效率和刀具壽命。