后刀面磨損對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響研究*

康 強(qiáng)，李占平，李元芳

(1.中煤科工集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100013；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

已加工表面質(zhì)量是零件加工過(guò)程中的主要指標(biāo)，其好壞直接影響到零件或機(jī)器的使用性能和工作壽命，而殘余應(yīng)力又是衡量已加工表面質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。切削是零件加工過(guò)程中一種重要的工藝手段，切削過(guò)程中多種因素會(huì)對(duì)零件的加工表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響，比如刀具磨損，而刀具后刀面磨損又是刀具磨損的重要表現(xiàn)形式；因此，有必要研究后刀面磨損對(duì)殘余應(yīng)力的影響[1-2]。

齒圈是典型的弱剛度高精度零件，由于受工作環(huán)境的空間約束和使用的特殊要求，結(jié)構(gòu)上采用薄壁設(shè)計(jì)，弱剛度，高加工精度。其加工過(guò)程中易變形，加工精度不易控制[3]。

龍震海等[4]研究了涂層硬質(zhì)合金刀具銑削30CrNi4MoV材料時(shí)的磨損機(jī)理，結(jié)果表明，造成刀具磨損的主要原因是磨粒磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損，而刀具磨損的主要形式是前刀面磨損、后刀面磨損以及主切削刃上的涂層脫落和微崩刃；因此，后刀面磨損是刀具磨損的重要形式。M. Liu 等[5]研究了車(chē)削軸承鋼時(shí)刀具磨損對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響，研究表明，不同的刀具磨損對(duì)殘余應(yīng)力有顯著的影響。J. D. Thiele等[6]研究了刀具幾何形狀和材料硬度對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響。M. Jacobson[7]通過(guò)改變刀具和切削深度進(jìn)行車(chē)削加工的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了切削深度對(duì)表層殘余應(yīng)力不存在影響。R. M’Saoubih等[8]和D. Y. Yang等[9]研究了不同工件材料車(chē)削時(shí)各種切削因素對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，為殘余應(yīng)力的理論研究和提高加工表面質(zhì)量提供了試驗(yàn)依據(jù)。

弱剛度結(jié)構(gòu)件在切削過(guò)程中材料的去除量大，加工后的殘余應(yīng)力更容易導(dǎo)致其加工變形，可以說(shuō)，弱剛度件更易于觀察殘余應(yīng)力的變化，因此，本文以弱剛度件齒圈為研究對(duì)象，建立齒圈切削過(guò)程的二維有限元模型，研究不同磨損量下齒圈加工表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，為工藝參數(shù)確定奠定基礎(chǔ)。

1 建立仿真模型

1.1 刀具幾何模型

在零件切削加工過(guò)程中，磨損后的刀具刀體幾何形狀發(fā)生改變，故本文只針對(duì)磨損所造成的刀具幾何形狀方面的變化進(jìn)行研究，對(duì)于其他方面的屬性變化不予考慮。以刀具后刀面磨損為研究對(duì)象，采用國(guó)標(biāo)75°外圓車(chē)刀，其前角為15°，后角為5°，仿真所用刀具幾何模型如圖1所示。實(shí)際中，刀具后刀面磨損的主要形式是后刀面溝槽磨損，本文參考不同文獻(xiàn)中車(chē)削刀具后刀面磨損量VB值，分別選擇0.1、0.15和0.2 mm作為二維切削仿真中磨損刀具幾何模型中的后刀面磨損量。

圖1 刀具幾何模型

1.2 齒圈材料特性

工件材料為20Cr2Ni4合金鋼，彈性模量為226 GPa，泊松比為0.28，密度為7 850 kg/m3。材料的本構(gòu)關(guān)系模型為Johnson-Cook模型，模型參數(shù)見(jiàn)表1。材料的比熱為502 J/(kg·℃)，熱膨脹系數(shù)α(T)和熱導(dǎo)率β(T)分別見(jiàn)表2和表3[10]。

表1 20Cr2Ni4合金鋼的Johnson-Cook模型參數(shù)

表2 20Cr2Ni4合金鋼的熱膨脹系數(shù)

表3 20Cr2Ni4合金鋼的熱導(dǎo)率

1.3 仿真模型

選擇齒圈毛坯作為工件進(jìn)行仿真模擬，工件尺寸為394 mm×90 mm。切削速度為v=2 mm/s，切削深度為ap=1 mm。刀具材料為硬質(zhì)合金，牌號(hào)為YT15。選擇國(guó)標(biāo)75°外圓車(chē)刀，前角為15°，后角為5°，圓角半徑為0.4 mm。忽略車(chē)削過(guò)程中車(chē)床的振動(dòng)、刀具的磨損變形對(duì)切削結(jié)果的影響，由于刀具剛度比工件剛度大，導(dǎo)致刀具的變形遠(yuǎn)小于工件的變形[11]，因此，將刀具設(shè)置為剛體，工件設(shè)置為塑性體，環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃。在普通車(chē)削條件下的二維正交切削模型如圖2所示。

圖2 二維正交切削仿真模型

2 仿真結(jié)果分析

2.1 仿真過(guò)程中應(yīng)力的變化

齒圈二維切削仿真過(guò)程中某時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)如圖3所示。從圖3中可以看出，刀尖處的應(yīng)力切削區(qū)域?yàn)閼?yīng)力的最大值，該值為2 062 MPa，在此處切屑與工件開(kāi)始分離不再相互接觸。隨著刀具后刀面磨損量的增大，切削區(qū)域?qū)?yīng)的最大應(yīng)力值也不斷增大，其變化趨勢(shì)如圖4所示。因此，刀具后刀面磨損的增加導(dǎo)致切削區(qū)域環(huán)境逐漸惡劣，刀具受到的壓力也不斷增大，從而又導(dǎo)致刀具后刀面磨損的加劇，使得切削過(guò)程環(huán)境更加惡劣。

圖3 仿真過(guò)程中某時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)

圖4 最大應(yīng)力值隨磨損量的變化

2.2 仿真加工表面殘余應(yīng)力的形成過(guò)程分析

齒圈二維切削仿真完成后，由于邊界條件約束及熱應(yīng)力仍然存在，此時(shí)的工件并不能完全代表實(shí)際加工后的工件，因此，先去除切削仿真過(guò)程中的邊界條件，再經(jīng)過(guò)冷卻后，工件表層的殘余應(yīng)力將釋放、下降且趨于均勻，此時(shí)工件的應(yīng)力狀態(tài)稱為最終殘余應(yīng)力。工件冷卻后加工表面殘余應(yīng)力分布云圖如圖5所示。從圖5中可以看出，殘余應(yīng)力主要分布在工件表層，越往里殘余應(yīng)力越小。這主要是因?yàn)榧庸み^(guò)程發(fā)生在工件表面，其所產(chǎn)生的高熱量也就集中在工件表層，所以表層的殘余應(yīng)力更大。

圖5 齒圈切削仿真完成后已加工表面殘余應(yīng)力云圖

2.3 不同后刀面磨損量下殘余應(yīng)力的變化

應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)刀具后刀面磨損量VB為0.1、0.15和0.2 mm時(shí)分別進(jìn)行齒圈切削過(guò)程二維仿真，得到了切削深度方向的殘余應(yīng)力沿層深的分布(見(jiàn)圖6)。

圖6 不同磨損量下殘余應(yīng)力沿層深的分布

從圖6中可以看出，齒圈二維仿真切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在由壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，并隨著深度的增加而增加，當(dāng)增大到一定數(shù)值后又開(kāi)始下降。對(duì)不同刀具后刀面磨損量產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行比較可以看出，隨著刀具磨損量的增加，最大殘余應(yīng)力所處位置的深度也在增加。磨損量為0.15 mm時(shí)與磨損量為0.1 mm時(shí)相比，最大殘余應(yīng)力所處位置的深度值增大的并不明顯，都在距已加工表面0.3 mm處；但當(dāng)磨損量為0.2 mm時(shí)，最大殘余應(yīng)力所處位置的深度明顯增大，在距已加工表面0.6 mm處。隨著切削深度的增加，殘余應(yīng)力的最小絕對(duì)值所處位置的深度也在不斷增大。仿真結(jié)果表明，隨著刀具磨損量增大，最大殘余應(yīng)力所處位置的深度也在增大；同時(shí)，從不同磨損量產(chǎn)生的殘余應(yīng)力曲線來(lái)看，增大刀具后刀面磨損量會(huì)使殘余應(yīng)力從壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。

3 殘余應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)

殘余應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。機(jī)床型號(hào)為CA6140，主軸轉(zhuǎn)速為20～1 400 r/min，機(jī)床功率為7.5 kW。工件材料為20Cr2Ni4合金鋼(調(diào)質(zhì))，工件尺寸為394 mm×90 mm。刀具參數(shù)如下：國(guó)標(biāo)75°外圓車(chē)刀，前角15°，后角5°，圓角半徑為0.4 mm，后刀面磨損量為0.05 mm，刀具材料為硬質(zhì)合金，牌號(hào)為YT15。采用超聲波法測(cè)量工件不同深度上的殘余應(yīng)力的分布，儀器為北京理工大學(xué)檢測(cè)與控制研究所研制的超聲波殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x。

圖7 殘余應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

在后刀面磨損量為0.05 mm，切削速度v=2 mm/s，切削深度ap=1 mm的條件下，齒圈表面殘余應(yīng)力的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8 后刀面磨損量為0.05 mm時(shí)仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比情況

通過(guò)上述試驗(yàn)可知，雖然由于試驗(yàn)所用工件材料中存在初始?xì)堄鄳?yīng)力導(dǎo)致仿真值與試驗(yàn)值存在差距，但是齒圈二維切削仿真得到的殘余應(yīng)力沿工件深度方向的分布規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了本文所建立的殘余應(yīng)力有限元模型的正確性和可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以弱剛度件齒圈為研究對(duì)象，通過(guò)仿真分析不同后刀面磨損量條件下齒圈加工表面殘余應(yīng)力，得到了殘余應(yīng)力隨后刀面磨損量的變化規(guī)律，即殘余應(yīng)力主要分布在工件表層并隨著刀具后刀面磨損量的增加，殘余應(yīng)力有從壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。本文研究成果對(duì)弱剛度高精度工件加工工藝規(guī)劃具有參考價(jià)值。