基于Deform-3D的車削殘余應(yīng)力分析*

張蓉蓉，趙先鋒,2，李長(zhǎng)虹，張海寧

(1.貴州大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.土木工程學(xué)院，貴陽　550025；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心,貴陽　550025)

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基于Deform-3D的車削殘余應(yīng)力分析*

張蓉蓉1a，趙先鋒1a,2，李長(zhǎng)虹1a，張海寧1b

(1.貴州大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.土木工程學(xué)院，貴陽550025；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心,貴陽550025)

摘要：切削加工殘余應(yīng)力是零件疲勞強(qiáng)度的重要影響因素，因此對(duì)殘余應(yīng)力的研究具有很大的實(shí)際指導(dǎo)作用。文章根據(jù)熱—彈塑性有限元理論，在DEFORM-3D中建立鋁合金7075的三維有限元模型，對(duì)車削加工表面殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，得到不同切削用量和前角對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在切削用量和前角一定變化范圍內(nèi)，工件表面在切削方向主要產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；在進(jìn)給方向主要產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，隨著距表面層深度的增加，殘余拉應(yīng)力逐漸變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力 ；DEFORM_3D；切削用量；前角

0引言

切削加工中的冷、熱態(tài)塑性變形及內(nèi)部組織的改變都會(huì)使表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1]，殘余應(yīng)力的大小和方向?qū)ぜ钠趶?qiáng)度產(chǎn)生很大的影響，直接影響工件的使用性能和壽命。因此研究工件殘余應(yīng)力的分布對(duì)切削工藝的改善、加工表面質(zhì)量的提高有重要的意義。

由于切削加工過程受切削力、切削熱、摩擦力等因素的綜合作用[2]，采用切削實(shí)驗(yàn)法對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的研究有較大的局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元仿真技術(shù)日趨成熟，由于其研究成本低、使用條件廣，在切削加工殘余應(yīng)力的研究方面發(fā)揮了重大作用。Umbrello O[3]等基于有限元和切削試驗(yàn)的方法，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的切削殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型。Sasahara和Obikawa[4]等人忽略溫度和應(yīng)變速率的影響，利用彈塑性有限元法,模擬了低速車削時(shí)己加工工件表面的殘余應(yīng)力。何小江[5]等在DEFORM_3D中建立了二次車削有限元模型，分析了切削速度、背吃刀量、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對(duì)車削溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。詹斌[6]等根據(jù)彈塑性有限元理論，利用有限元軟件建立了切削模型，得到了不同切削速度和進(jìn)給量下已加工表面的殘余應(yīng)力。郭淼[7]通過在有限元軟件Abaqus中模擬切削過程和刀具離開過程,得到了LY12合金已加工表面的殘余應(yīng)力分布結(jié)果，并研究了切削速度、切削層厚度和刃口半徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

本文利用有限元分析軟件Deform-3D對(duì)硬質(zhì)合金刀具車削7075鋁合金的過程進(jìn)行仿真，研究了切削用量、前角對(duì)其已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為殘余應(yīng)力的深入研究及工藝方案的制定提供理論參考。

1車削加工過程有限元模型的建立

建立車削模擬模型，首先要進(jìn)行前處理，然后生成數(shù)據(jù)庫(kù)，再進(jìn)行模擬運(yùn)算。進(jìn)入Deform軟件的專用切削模塊3D-Cutting，主要進(jìn)行如下設(shè)置:

(1)設(shè)置邊界與接觸條件：選擇加工類型為車削，采用單位標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置切削用量、工作環(huán)境和接觸面屬性。

(2)設(shè)置刀具：在UG中建立刀具的三維模型，并以.stl格式導(dǎo)出，再導(dǎo)入deform中。研究刀具的切削用量時(shí)，刀具幾何角度為：前角和刃傾角為0°，后角7°，主偏角93°，副偏角32°，刀尖圓弧半徑0.4 mm。刀具材料選用WC硬質(zhì)合金，用相對(duì)方式劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為50000。

(3)設(shè)置工件：選擇工件材料模型為彈塑性(Elasto-Plastic)，工件形狀Curved模式，工件直徑值50 mm，彎曲角度15°，在材料庫(kù)中選擇鋁合金7075作為工件的材料，用絕對(duì)方式劃分工件網(wǎng)格，最小單元格尺寸為進(jìn)給量的30%。

(4)設(shè)置模擬條件：運(yùn)算總步數(shù)2500步，每25步存儲(chǔ)一次，切削終止角度為15°。

(5)檢查并生成數(shù)據(jù)庫(kù)，在生成的DB文件下進(jìn)入前處理，在刀尖處及與刀尖接觸的工件部分細(xì)化網(wǎng)格，檢查并重新生成數(shù)據(jù)庫(kù)。

2有限元仿真結(jié)果及分析

2.1切削加工表面殘余應(yīng)力的有限元模擬

車削加工工件表面的殘余應(yīng)力仿真過程主要分為四個(gè)階段[8]：

(1)車削加工階段：在此階段，工件在約束下被固定，刀具按給定的切削用量以增量的形式沿加工路線進(jìn)行車削，直到車削完成。

(2)卸載階段：車削加工完成后，刀具快速離開加工表面，撤銷工件表面的外加載荷。

(3)約束轉(zhuǎn)換階段：撤銷工件的所有位移和邊界條件，由于在有限元模擬中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析必須施加邊界條件，本文通過對(duì)工件添加兩點(diǎn)約束來限制工件的旋轉(zhuǎn)和剛體位移，這樣既去除了邊界條件對(duì)工件自由變形的影響，又可以保證工件的自由變形。

(4)冷卻階段：施加溫度邊界條件，使工件溫度冷卻到室溫，消除熱應(yīng)力對(duì)工件應(yīng)力、應(yīng)變的影響，此時(shí)工件表面的應(yīng)力即為殘余應(yīng)力。

2.2殘余應(yīng)力的結(jié)果及分析

在車削過程中，金屬的變形只發(fā)生在xy平面，所以已加工表面殘余應(yīng)力以進(jìn)給方向殘余應(yīng)力σx和切削方向殘余應(yīng)力σy為主，本文只對(duì)這兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.2.1切削速度對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響

圖1所示為在進(jìn)給量f=0. 15 mm/r，背吃刀量ap=1.0 mm的情況下，不同切削速度下進(jìn)給方向殘余應(yīng)力σx和切削方向殘余應(yīng)力σy的比較。從圖1a可以看出在近表層σx呈現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力狀態(tài)，隨著切削速度的提高，表層殘余應(yīng)力逐漸增大，這是由于隨著切削速度的提高，切削力和切削溫度也隨之增加，這時(shí)由熱應(yīng)力引起的殘余拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用[9]。隨著深度的增加，σx在大約0.1 mm處由殘余拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，在0.15～0.2 mm范圍內(nèi)殘余壓應(yīng)力達(dá)到峰值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。這是由于隨著深度的增加，里層傳入的熱量減少，這時(shí)由機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形為主，并逐漸減弱，導(dǎo)致σx為壓應(yīng)力狀態(tài)。

從圖1b可以看出不同切削速度下工件切削方向的殘余應(yīng)力σy都為壓應(yīng)力，這是由于車削時(shí)里層金屬發(fā)生彈性變形處于拉伸狀態(tài)，車削結(jié)束時(shí)里層金屬發(fā)生彈性恢復(fù)，工件表層呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。隨著切削速度的提高表層殘余壓應(yīng)力σy增大。隨著深度的增加，殘余壓應(yīng)力逐建減小，最小值出現(xiàn)在距已加工表面0.15～0.2 mm處。

圖1　切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.2.2進(jìn)給量對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響

圖2所示為在切削削速度vc=200 m/min，背吃刀量ap=1.0 mm的情況下，不同進(jìn)給量下σx和σy的比較。從圖2a可以看出在近表層σx呈現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力狀態(tài)，隨著進(jìn)給量的增加，σx值增大，這是由于隨著進(jìn)給量的增加，切削力與切削熱均變大，且對(duì)切削熱的影響較大。在距表層深度0.1 mm左右，σx由殘余拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，在0.15～0.2 mm范圍內(nèi)壓應(yīng)力達(dá)到峰值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

從圖2b可以看出，不同進(jìn)給量下表層σy都為壓應(yīng)力，隨著進(jìn)給速度的增加，σy增大，這是由于隨著被切削層斷面和體積增大，變形也就增大，導(dǎo)致加工表面殘余壓應(yīng)力變大。隨著深度的增加，殘余壓應(yīng)力逐建減小，最小值出現(xiàn)在距已加工表面在0.15～0.2 mm處，隨后趨于穩(wěn)定。

圖2　進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.2.3背吃刀量對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響

圖3所示為在車削速度vc=200 m/min，進(jìn)給量

f=0. 15 mm/r的情況下，不同背吃刀量下σx和σy的比較。從圖3a可以看出在近表層σx呈現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力狀態(tài)，隨著進(jìn)給量的增加，表層σx值先增大而后減?。划?dāng)切削深度由1.5 mm增大為2.0 mm時(shí)，切削深度的變化對(duì)σx的影很小，這是由于背吃刀量增加，雖然切削力與切削熱均變大，但是切屑體積也增加，大部分切削熱被切屑帶走，熱應(yīng)力對(duì)工件里層的金屬殘余應(yīng)力影響變小。

從圖3b可以看出，不同被吃刀量下表層σy都為壓應(yīng)力，隨著背吃刀量的增加，表層σy增大，這是由于背吃刀量增加，車削結(jié)束時(shí)里層金屬發(fā)生彈性恢復(fù)效應(yīng)變強(qiáng)。

圖3　背吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.2.4刀具前角對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響

研究前角對(duì)殘余應(yīng)力影響時(shí)，取切削用量為：vc=200 m/min，f=0. 15 mm/r，ap=1.0 mm。

從圖4a可以看出，前角從 0°～ 15°的變化過程中，表層殘余拉應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)前角為15°時(shí)，殘余應(yīng)力隨深度層的變化幅度減小。這是由于刀具的前角變大，切削刃變鋒利，使切削加工變得容易，切削變形系數(shù)減小，切削刃前方工件的壓縮變形及刀具對(duì)已加工表面的擠壓與摩擦作用減小，切削力和切削熱也就都減小[10]，因此表層σx值降低。隨著深度的增加，σx由殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，最后趨于0。

從圖4b可以看出，隨著前角的變大，切削方向表層殘余壓應(yīng)力先增大后減小。前角5°時(shí)，表層σy值最大。隨著深度的增加，σy在0.2 mm左右處達(dá)到最小。加工時(shí)應(yīng)選取合適的刀具前角，以改善工件表面殘余應(yīng)力，提高已加工表面質(zhì)量。

圖4　前角對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3結(jié)束語

本文根據(jù)熱一彈塑性有限元理論，建立了車削過程有限元模型，得出了切削用量和前角在工件表面進(jìn)給方向和切削方向的殘余應(yīng)力分布規(guī)律：隨著切削速度的提高和進(jìn)給量的增大，兩個(gè)方向上的表面殘余應(yīng)力均增大；隨著背吃刀量的增大，進(jìn)給方向上的殘余拉應(yīng)力先增大后減小，切削方向上的殘余壓應(yīng)力增大；隨著前角的增大，進(jìn)給方向上的殘余拉應(yīng)力減小。切削加工時(shí)，可以通過改變參數(shù)用量來控制切削加工中工件的表面殘余應(yīng)力。

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(編輯趙蓉)

Analysis of the Residual Stress in the Turning Cutting Based on Deform-3D

ZHANG Rong-rong1a，ZHAO Xian-feng1a,2， LI Chang-hong1a，ZHANG Hai-ning1b

(1a.College of Mechanical Engineering；b.College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025,China;2.National Engineering Research Center for Precious Micro Motor,Guiyang 550025,China )

Abstract：Cutting induced residual stresses are important influencing factors for fatigue strength of parts, so the study of residual stress has great practical guidance. According to the thermal-elastic-plastic finite element theory,the three-dimensional finite element model of aluminum alloy 7075 is established based on the DEFORM-3D ，and residual stresses on the turning processing surface are calculated.Influence rule of residual stresses on the machined surface are obtained when different cutting parameters and rake angles are used. The results show that，within a certain change of the cutting parameters and the rake angles,the main surface residual stress in the cutting direction is compressive stress ,the main stress in the direction of feed is tensile stress and with the increase of the distance from surface layer, the residual tensile stress changes to residual compressive stress gradually.

Key words：residual stress; DEFORM_3D; cutting parameter ;rake angle

文章編號(hào)：1001-2265(2016)05-0022-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.006

收稿日期：2015-06-17

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金：GLGQXX新型高強(qiáng)度鋁合金切削過程中稀土作用及切削加工性研究(51265005)

作者簡(jiǎn)介：張蓉蓉(1989—)，女，山東泰安人，貴陽大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代制造工藝及裝備，(E-mail)tazhrr@163.com；通訊作者：李長(zhǎng)虹(1957—)，女，河北人，貴陽大學(xué)教授 ，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)、CAD技術(shù)，(E-mail)lichho9@163.com。

中圖分類號(hào)：TH162;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A