復雜槽型刀片車削時表面殘余應力有限元仿真與試驗*

劉二亮,寧世友,邱 峰,何耿煌,陳學強,鄭永純,王亞威

（1.哈爾濱理工大學機械動力工程學院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司，哈爾濱 150069）

國內(nèi)外學者從20世紀50年代開始對金屬切削加工表面的殘余應力進行研究，取得了顯著的成果[1-3]。2005年Ee采用彈塑性有限元法對工件表面殘余應力進行研究，分析卸載和冷卻階段對殘余應力的影響作用，得出比較準確的殘余應力的預測值[4]。王素玉等針對切削速度對殘余應力的影響規(guī)律進行了有限元仿真分析[5]。試驗方面，孫建英等進行了高速切削加工表面殘余應力的研究與控制[6]。Jacobson通過車削淬硬鋼的試驗研究，發(fā)現(xiàn)負刀具前角越大、刀具半徑越小越容易產(chǎn)生殘余壓應力[7]?？讘c華等進行了刨削試驗研究，得出了工件材料、切削參數(shù)等對殘余應力的影響規(guī)律[8]。殘余應力是一個非常復雜的問題，切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)、材料匹配和加工工藝等因素均會對其產(chǎn)生一定的影響[9-11]。上述研究側(cè)重于殘余應力的理論建模、試驗分析和有限元仿真預測等方面，但是復雜槽型對殘余應力影響的研究鮮見報道。

本文以復雜槽型車刀片車削45鋼時的已加工表面殘余應力為研究對象，通過有限元仿真和試驗手段，分析復雜槽型對力、溫度、殘余應力的變化規(guī)律的影響作用。

1 復雜槽型車刀片切削時殘余應力的建模仿真

本文采用Third Wave AdvantEdge自身所攜帶的材料本構(gòu)關系（Power-Law本構(gòu)模型）進行有限元仿真。模型材料從材料庫中選用AISI1045，即45鋼，刀具選用硬質(zhì)合金刀具，建模邊界條件如圖1所示，取切削速度Vc=250mm/min，切削深度為ap=0.5mm，進給量為f=0.25mm/r，后角ao為 10°。

1.1 復雜槽型前角對殘余應力的影響

圖1 邊界條件Fig.1 Boundary conditions

取前角γo分別為5°、10°、15°，切削刃半徑為0.015mm。如圖2（a）所示，已加工表面的殘余應力為拉應力，次表層的殘余拉應力逐漸減小，轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?，達到最大殘余壓應力后，殘余壓應力逐漸趨于零。增大槽型前角，殘余拉應力減小，硬化層里壓應力也減小。殘余拉應力層減小。殘余拉應力層的分布深度大約在0.1mm左右。當前角很小的時候，切屑的狀態(tài)接近自然卷曲。隨著槽型前角的增大，受到復雜槽型的約束作用，切屑的卷曲半徑變小，切屑的彎曲應力就變大，切屑對工件的拉力就越大。圖2（b）為不同前角下切削力瞬時變化圖。一方面由于切削刃對工件的壓縮變形變小，使得摩擦作用變小，切削溫度降低,從而殘余拉應力降低；另一方面由于切削變形減小，擠壓和摩擦減小，殘余壓應力也隨著前角的增大而減小。

圖2 前角對殘余應力的影響和切削力的變化瞬時圖Fig.2 Influence of groove rake angle on the residual stress and cutting force

1.2 涂層對殘余應力的影響

圖3為TiN涂層和無涂層的復雜槽型刀片切削時已加工表面殘余應力的分布曲線。由圖3可知，已加工表面殘余應力為殘余拉應力，但是采用TiN涂層時，表面殘余應力值明顯小很多。

圖3 刀具涂層對殘余應力的影響Fig.3 Influence of cutting tool coating on residual stress

圖4為有無涂層時的切削力和切削溫度的對比圖，從4（a）和4（b）可看出有涂層的復雜槽型刀片切削時切削力小于無涂層時的切削力, 并且無涂層時切削力的曲線波動比較大，而有涂層的則相對平穩(wěn)，說明涂層有利于降低切削力；從圖4（c）和圖4（d）可看出，帶涂層的復雜槽型刀片切削時的切削溫度較低，這是因為涂層材料具有高硬度、耐磨耐熱的性能，涂層材料與工件的粘結(jié)較小，有一定的潤滑作用，減少了復雜槽型與工件的摩擦系數(shù)，切削加工產(chǎn)生的熱量相對較少，從而降低了切削溫度。由圖4可知，切削力的降低，使切削加工過程中的壓應力相對減少，但是溫度的上升使殘余拉應力增大；由于涂層刀片的切削穩(wěn)定性優(yōu)于無涂層刀片，因此涂層刀片切削時的已加工面殘余應力小于無涂層的刀片。

2 復雜槽型車刀片切削時殘余應力的試驗研究

2.1 試驗裝置、材料和設備

試驗用車床型號為CAK6150，車刀片選用Sandvik公司兩種不同斷屑槽型的硬質(zhì)合金涂層刀片，刀片型號和部分幾何參數(shù)如表1所示。試驗材料選用45鋼棒料，切削方式為外圓車削，棒料直徑d=90mm，長度l=450mm。在試驗中，進給量f=0.25mm/r，切削速Vc=250mm/min，背吃刀量選用4個水平（分別為0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm）。每次車削長度為 20mm，用于檢測工件已加工表面的殘余應力。

圖4 刀具涂層對切削力和切削溫度的影響圖Fig.4 Influence of tool coating on the cutting force and cutting temperature

采用kistler公司生產(chǎn)的測力儀進行切削力測量；采用加拿大PROTO公司生產(chǎn)的LXRD組合式和IXRD便攜式X射線應力分析儀進行已加工表面殘余應力測試。

2.2 復雜槽型對已加工表面切削力及切削溫度的影響試驗分析

TiN涂層刀片在進給量f=0.25mm/r，切削速度Vc=250mm/min，切削深度ap分別取 0.20mm、0.50mm、0.80mm和1.00mm時，分析不同槽型對切削力與切削溫度的影響規(guī)律。

表1 刀具型號及幾何參數(shù)

圖5所示為切削力隨著切削深度的增加而增大，但槽型刀片的軸向力和徑向力都低于平刀片；WF槽型刀片的切削力小于QF槽型。這是因為試驗用的兩種刀片為具有前角的涂層硬質(zhì)合金刀片，在切削過程中涂層起到一定潤滑作用，從而降低了摩擦系數(shù)，切削力變小；同時，由于前角的存在使得切削變得輕快，當前角增大時，切削層的金屬變形將減小，刀-屑間摩擦力和正應力也減小，導致切削力減小，而WF刀片的前角為15°，QF刀片的前角為10°，故前者的切削力小于后者。

圖5 切削深度對切削力影響的仿真與試驗對比圖Fig.5 Comparison of measured and simulated cutting force

如圖6所示為隨著切削深度的增加，切削溫度呈緩慢增大的趨勢；槽型刀片的切削溫度高于平刀片，QF槽型刀片的切削溫度高于WF槽型刀片。這是因為平刀片在切削加工中，切屑自然卷曲，切屑變形程度較低，因變形而產(chǎn)生的熱量較少，從而切削溫度較低；而槽型刀片在切削中，盡管涂層在一定程度上改善了刀屑間的摩擦條件，但是斷屑槽強制切屑卷曲，即切屑卷曲半徑減小，增加了切屑變形，導致因變形產(chǎn)生的熱量顯著增加，因此切削溫度較高，所以槽型刀片的切削溫度高于平刀片；從試驗中發(fā)現(xiàn)QF槽型刀片切削時切屑變形程度高于WF槽型刀片，因而前者切削時溫度較高。

2.3 復雜槽型對已加工表層殘余應力影響試驗分析

從圖7中可以看出，切削深度對殘余應力變化的影響較小。軸向殘余應力和切向殘余應力均是拉應力，其中切向殘余應力明顯大于軸向殘余應力。采用WF槽型刀片切削時工件已加工表面的殘余應力高于QF槽型刀片。

2.4 涂層對已加工表層殘余應力影響試驗分析

圖6 切削深度對切削溫度影響的仿真與試驗對比圖Fig.6 Comparison of measured and simulated cutting temperature

圖7 不同槽型表層殘余應力試驗值與仿真值對比Fig.7 Comparison of measured and simulated residual stress

由圖8可知，隨著切削深度的增大，已加工表面的殘余應力變化趨勢不明顯，且軸向殘余應力和切向殘余應力均為拉應力。TiN涂層刀片切削時已加工表面的殘余拉應力比無涂層刀片低，可見，涂層刀片切削可獲得更好的加工表面質(zhì)量。

圖8 有無涂層對表層殘余應力試驗值與仿真值對比Fig.8 Comparison of measured and simulated coating and uncoating

3 結(jié)論

本文通過有限元仿真和切削試驗，研究了復雜槽型對切削過程中力、溫度、殘余應力變化規(guī)律的影響作用，得到了以下結(jié)論。

（1）仿真結(jié)果表明：前角增大，表面殘余應力減??；殘余拉應力層的厚度約在0.1mm左右；涂層刀片降低了已加工表面的殘余拉應力。

（2）研究發(fā)現(xiàn)：隨著切削深度的增加，切削力和切削溫度隨之增大；采用QF槽型刀片切削時的切削力和切削溫度均高于WF槽型刀片。

（3）切削深度對殘余應力影響作用不明顯，但是采用WF或者QF槽型刀片切削時，軸向殘余應力和切向殘余應力都是拉應力，且切向殘余應力比軸向殘余應力大；WF槽型刀片切削時已加工表面殘余應力高于QF槽型刀片。

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