304 不銹鋼大型零件切削殘余應(yīng)力分析與預(yù)測(cè)優(yōu)化

姚碩，陳志英，張瑩，曹峰華，孫彥

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院；3.200245 上海市 上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院）

0 引言

304 奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的韌塑性、抗氧化性、耐蝕性和機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)、交通、核工業(yè)、醫(yī)療、建材、化工和食品加工等領(lǐng)域[1-4]。但是304 不銹鋼傳熱系數(shù)低，切削過(guò)程中散不去的切削熱產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，而大型零件尺寸較大，切削時(shí)易受殘余應(yīng)力影響而變形，甚至開裂，這會(huì)降低制造精度，影響成品件的質(zhì)量。因此，研究如何降低304 不銹鋼大型零件切削過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力能成了一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

Peng 等[5]研究了304 不銹鋼在低溫下切削殘余應(yīng)力的變化，采用DEFORM-3D 通過(guò)對(duì)不同溫度下車削過(guò)程的模擬，發(fā)現(xiàn)低溫切削可以增加切削過(guò)程中的切削力，減小切削過(guò)程中工件表面的溫差；Kanakaraju 等[6]對(duì)回轉(zhuǎn)體的疲勞壽命進(jìn)行了研究，通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS 進(jìn)行仿真，探討了車削過(guò)程中切削速度、刀具前角、刀尖半徑、進(jìn)給量和刀具間距對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響，并使用田口方法進(jìn)行切削參數(shù)的優(yōu)化；覃孟揚(yáng)[7]以45 鋼為研究對(duì)象，研究了預(yù)應(yīng)力切削對(duì)殘余應(yīng)力的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和DEFORM-3D 仿真的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)增加預(yù)應(yīng)力可以加大殘余壓應(yīng)力；杜浩等[8]采用AdvantEdge，對(duì)鎳基合金GH4169 的二維車削過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了切削深度等參數(shù)對(duì)鎳基合金GH4169 表面殘余拉應(yīng)力的影響。通過(guò)上述研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于切削殘余應(yīng)力的研究主要集中在探討切削工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以電站的304 不銹鋼大型封頭件車削產(chǎn)生的表層殘余應(yīng)力為研究對(duì)象，工件尺寸如圖1 所示，分析已加工表面應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，研究了3 個(gè)切削參數(shù)(切削速度、切削深度、進(jìn)給量)和2 個(gè)刀具參數(shù)（刀具前角和刀具后角）對(duì)表層殘余應(yīng)力的影響，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了相應(yīng)解決方案，對(duì)提高工件的加工精度、切削質(zhì)量、可靠性等具有指導(dǎo)意義。

圖1 工件尺寸圖Fig.1 Workpiece size diagram

1 工件材料與模型

1.1 工件材料

本文選用的實(shí)驗(yàn)材料是304 不銹鋼，材料的化學(xué)成分如表1 所示，材料基本參數(shù)如表2 所示。

表1 304 不銹鋼化學(xué)成分(wt/%)Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel

1.2 本構(gòu)模型

Johnson-Cook 本構(gòu)模型因能較好地描述金屬材料在切削加工高應(yīng)變速率下的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變速率硬化效應(yīng)和材料熱軟化效應(yīng)，且相對(duì)而言形式較簡(jiǎn)單，參數(shù)容易獲取，所以在金屬切削加工數(shù)值仿真中得到普遍應(yīng)用。

Johnson-Cook 材料本構(gòu)模型可表示為

304 不銹鋼Johnson-Cook 本構(gòu)參數(shù)如表3 所示。

表3 304 不銹鋼Johnson-Cook 本構(gòu)參數(shù)Tab.3 Johnson-Cook constitutive parameters of 304 stainless steel

1.3 切屑分離準(zhǔn)則

切屑分離準(zhǔn)則采用基于Johnson-Cook 斷裂方程的應(yīng)變分離準(zhǔn)則，它適用于金屬在高溫、高應(yīng)變率下的變形，表達(dá)式為

304 不銹鋼的J-C 模型失效參數(shù)如表4 所示。

表4 304 鋼Johnson-Cook 失效模型參數(shù)Tab.4 Johnson-Cook failure model parameters of 304 steel

2 二維正交切削有限元模型

目前很多有限元軟件都能實(shí)現(xiàn)切削加工的仿真，其中AdvantEdge 能夠相對(duì)較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)切削過(guò)程中殘余應(yīng)力的仿真，故本文選用AdvantEdge進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

基于切削加工理論和有限元方法，將三維斜角切削過(guò)程簡(jiǎn)化為二維正交直角切削問(wèn)題，在AdvantEdge 軟件中建立正交切削模型，完成車削表面殘余應(yīng)力的建模和計(jì)算，進(jìn)行動(dòng)態(tài)切削過(guò)程和已加工表面殘余應(yīng)力的數(shù)值仿真。刀具模型在前處理階段建立，設(shè)置為剛體。刀具尺寸長(zhǎng)為5 mm，高為2 mm，如圖2 所示。

圖2 切削有限元模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of cutting finite element model

3 切削工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

切削殘余力量的產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜，歸根結(jié)底主要為不均勻機(jī)械擠壓引起的變形；熱應(yīng)力影響產(chǎn)生的不均勻變形；不均勻的組織相變過(guò)程引起的晶格畸變3 種情況。而影響切削殘余應(yīng)力的因素有很多，其中主要影響因素有：工件材料、切削參數(shù)和刀具參數(shù)[9]。

為了研究單因素參數(shù)對(duì)304 不銹鋼大型零件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，將3 個(gè)切削參數(shù)(切削速度、切削深度、進(jìn)給量)，2 個(gè)刀具參數(shù)（刀具前角和刀具后角）作為因素，采用控制變量法，結(jié)合實(shí)際加工參數(shù)，設(shè)計(jì)如表5 所示的參數(shù)組合。

表5 切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響仿真分析方案Tab.5 Simulation analysis scheme of influence of cutting parameters on residual stress

由圖3—圖7 可見(jiàn)殘余應(yīng)力的變化：在工件表面層表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，而在次表層表現(xiàn)為壓應(yīng)力。總的變化趨勢(shì)為隨著切削厚度增加，在0～0.05 mm厚度范圍殘余拉應(yīng)力迅速增加，0.05 mm 之后逐漸降低，并過(guò)渡為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的過(guò)程。

圖3 切削速度對(duì)殘余應(yīng)力影響Fig.3 Effect of cutting speed on residual stress

（1）切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

如圖3 所示，比較4.0，5.0，6.5，8.0 r/min 4種切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響可得，隨著車削速度逐漸增大，工件表層殘余拉應(yīng)力逐漸減小，但變化不大。此外，切削速度的變化對(duì)殘余應(yīng)力層的厚度影響較小，大約都是0.2 mm。主要原因是切削溫度隨著切削速度的增加而升高，使得熱應(yīng)力在殘余應(yīng)力產(chǎn)生的過(guò)程中成為了主要影響因素，進(jìn)而導(dǎo)致了殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，并和切削速度成正比關(guān)系；同時(shí)溫度的上升會(huì)導(dǎo)致工件表層體積膨脹，短時(shí)間內(nèi)被工件基體所限制，無(wú)法立即滲入到工件里層，使得拉應(yīng)力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力與產(chǎn)生的拉應(yīng)力相互抵消，致使拉應(yīng)力相對(duì)減小。

（2）切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

比較0.50，0.65，0.80 和1.00 mm 四種切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，如圖4 所示，隨著切削深度的逐漸變大，工件表層殘余拉應(yīng)力也增加，但是變化不明顯。這說(shuō)明切削深度的變化對(duì)工件已加工表面層殘余應(yīng)力的影響極小。主要原因是切削深度增加導(dǎo)致主變形區(qū)的應(yīng)力增大、溫度升高，但是切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱量大部分都散發(fā)掉，因此，通過(guò)改變切削深度來(lái)影響殘余應(yīng)力的做法意義不大。

圖4 切削深度對(duì)殘余應(yīng)力影響Fig.4 Effect of cutting depth on residual stress

（3）刀具前角對(duì)殘余應(yīng)力的影響

由圖5 可見(jiàn)，車刀前角從0°增加到5°、10°和15°正角之間的關(guān)系不是單向線性變化。前角為0°～5°，工件表層的殘余拉應(yīng)力隨著角度增加而增大，但是增長(zhǎng)量較小。前角增加到10°時(shí)殘余拉應(yīng)力又降低，這是因?yàn)檐嚨肚敖窃龃蟮侥骋恢禃r(shí)，刀具與工件已加工表面接觸面減小，進(jìn)而減少了摩擦和切削熱，最終降低了表層的殘余應(yīng)力。但前角增加到15°時(shí)，殘余拉應(yīng)力反而增大。究其原因，推斷是由于角度增大，車刀參與切削部分的材料減少，由切削熱導(dǎo)致的熱應(yīng)力對(duì)材料的影響度增加，超過(guò)了由于摩擦減小導(dǎo)致的殘余應(yīng)力減小。相比而言，刀具前角為0°和10°時(shí)的殘余應(yīng)力最小。

圖5 刀具前角對(duì)殘余應(yīng)力影響Fig.5 Effect of tool rake angle on residual stress

（4）進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

由圖6 可知，工件表層最大殘余應(yīng)力隨車削進(jìn)給量的增大而減小。進(jìn)給量為0.8 mm 時(shí)殘余應(yīng)力最小。主要原因是車削過(guò)程中進(jìn)給量越大，由此產(chǎn)生的切削力越大，進(jìn)一步導(dǎo)致了工件的塑性變形區(qū)隨之增大，最后引起殘余應(yīng)力變大；同時(shí)，進(jìn)給量的增大也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致切削溫度升高，引發(fā)工件表層體積膨脹，被工件大變形區(qū)體積所限制，熱應(yīng)力引起的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力與產(chǎn)生的拉應(yīng)力相互抵消，致使拉應(yīng)力減小。

圖6 進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力影響Fig.6 Effect of feed rate on residual stress

（5）刀具后角對(duì)殘余應(yīng)力的影響

由圖7 可見(jiàn)刀具后角對(duì)殘余應(yīng)力的影響趨勢(shì)，隨著后角變大，表面殘余拉應(yīng)力稍微減小。這是因?yàn)榈毒吆蠼堑脑龃罂梢砸欢ǔ潭壬细纳坪蟮睹媾c已加工表面的摩擦情況。刀具后角變化，改變了刀具后刀面與已加工表面的接觸長(zhǎng)度及摩擦特性，使得到已加工表面分布力載荷和熱載荷也受到影響，從而最終影響已加工表面殘余應(yīng)力。后角減小，該接觸長(zhǎng)度增大，后刀面摩擦加劇，從而使得由熱效應(yīng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力趨勢(shì)加強(qiáng)。

圖7 刀具后角對(duì)殘余應(yīng)力影響Fig.7 Effect of tool clearance angle on residual stress

4 殘余應(yīng)力影響因素及切削工藝參數(shù)預(yù)測(cè)優(yōu)化

對(duì)殘余應(yīng)力有影響的因素較多，為了能進(jìn)行較少的實(shí)驗(yàn)而獲得比較準(zhǔn)確的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，采用正交試驗(yàn)法，將3 個(gè)切削參數(shù)(切削速度、切削深度、進(jìn)給量)、2 個(gè)刀具參數(shù)（刀具前角和刀具后角）作為因素，各有4 個(gè)水平。結(jié)合上文結(jié)論，通常殘余壓應(yīng)力有利于工件，殘余拉應(yīng)力有害于工件，殘余拉應(yīng)力越大對(duì)工件的影響越大，因此設(shè)立目標(biāo)為最大殘余拉應(yīng)力，將實(shí)驗(yàn)中的5 因素4 水平制定成L16（45）正交分析方案，如表6 所示。

表6 切削加工參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方案Tab.6 Orthogonal test optimization scheme of cutting parameters

極差越大，說(shuō)明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響越大，由表6 可知，進(jìn)給量是最大影響因素。殘余應(yīng)力越小越好，所以要求每列K 的最小值。

在切削速度Vc一列，K3

在切削深度ap一列，K4=K3

在刀具前角γ一列，K1

在進(jìn)給量f 一列，K4

在刀具后角α一列，K4

可得最優(yōu)組合：（1）切削轉(zhuǎn)速為6.5 r/min，切削深度為1 mm，刀具前角為0°，進(jìn)給量為0.8 mm，刀具后角為20°。（2）切削轉(zhuǎn)速為6.5 r/min，切削深度為0.8 mm，刀具前角為0°，進(jìn)給量為0.8 mm，刀具后角為20°。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以304 不銹鋼大型封頭件為例，對(duì)其車削過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，尤其關(guān)注切削件殘余應(yīng)力的產(chǎn)生發(fā)展過(guò)程。分析了5 個(gè)切削工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。以殘余應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)5 個(gè)切削工藝參數(shù)為因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：進(jìn)給量是最大影響因素，并在現(xiàn)有切削加工參數(shù)基礎(chǔ)上得到了2 組最優(yōu)的組合方案：（1）切削速度為6.5 r/min，切削深度為1 mm，刀具前角為0°，進(jìn)給量為0.8 mm，刀具后角為20°；（2）切削速度為6.5 r/min，切削深度為0.8 mm，刀具前角為0 °，進(jìn)給量為0.8 mm，刀具后角為20°。