微織構(gòu)刀具對(duì)工件表面殘余應(yīng)力影響的有限元分析*

李慶華，潘 晨，胡愷星，矯雨芯

(長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

已加工表面的殘余應(yīng)力是影響工件耐疲勞強(qiáng)度等機(jī)械特性的重要因素。殘余應(yīng)力主要受切削過程中工件發(fā)生的彈塑性變形和熱塑性變形影響，表現(xiàn)為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，其中分布均勻的壓應(yīng)力可以提高工件的耐疲勞強(qiáng)度，而拉應(yīng)力會(huì)降低表面強(qiáng)度，影響工件的性能。

針對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)銑削殘余應(yīng)力的研究，大量的試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明銑削速度，銑削深度，每齒進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力有顯著影響[1-7]。 對(duì)于車削殘余應(yīng)力的研究，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)切削用量和刀具切削前角對(duì)殘余應(yīng)力的分布有很大的影響[8-10]。Madariaga等從材料初始表面應(yīng)力角度研究其對(duì)加工后的殘余應(yīng)力的影響，同時(shí)考慮加工過程所引起的加工硬化程度[11-12]。同時(shí)，Madariaga等也發(fā)現(xiàn)了隨著刀具磨損的增加，壓縮殘余應(yīng)力層增大[13]。Styger等運(yùn)用有限元仿真技術(shù)研究不同的本構(gòu)模型對(duì)鈦合金Ti6Al4V加工殘余應(yīng)力的影響[14]。此外Schmidt等從加工方式上進(jìn)行創(chuàng)新，采用“modulated tool path machining”新型加工方法研究殘余應(yīng)力[15]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于微織構(gòu)刀具的研究主要集中在切削力、切削熱、刀具磨損等方面[16-22]，其中也有少數(shù)學(xué)者對(duì)微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具[23]和涂層刀具[24]切削工件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，并取得了相應(yīng)的結(jié)果。但是由于殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，試驗(yàn)測(cè)量比較困難，對(duì)殘余應(yīng)力的研究仍有很多不足，特別是很少研究微織構(gòu)PCBN刀具對(duì)殘余應(yīng)力的影響。因此，鑒于上述對(duì)殘余應(yīng)力的研究，本文將對(duì)微織構(gòu)聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride：PCBN)刀具干式車削淬硬鋼AISI 52100進(jìn)行殘余應(yīng)力有限元仿真，分析微凹坑織構(gòu)對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力分布的影響，以及不同切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

1 有限元模型

1.1 建立刀具實(shí)體模型

利用三維實(shí)體軟件繪制微織構(gòu)刀具模型，圖1是PCBN刀片實(shí)體模型。圖1a是無(wú)織構(gòu)PCBN刀片，圖1b是直徑120μm微凹坑PCBN刀片，共9個(gè)凹坑，與切削刃距離350μm，每個(gè)凹坑直徑為120μm，深度5μm，相鄰凹坑350μm，刀片厚度2000μm。將刀片用于有限元仿真模擬切削加工。

(a) 無(wú)織構(gòu)PCBN刀片 (b) 直徑120μm微凹坑PCBN刀片 圖1 PCBN刀片實(shí)體模型

1.2 淬硬鋼AISI 52100和PCBN刀具本構(gòu)模型

Johnson-Cook本構(gòu)模型[25]認(rèn)為材料在高應(yīng)變率下變現(xiàn)為應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率硬化及熱軟化效應(yīng)，其使用便捷、形式簡(jiǎn)單，在機(jī)械切削領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。本文材料選用Johnson-Cook本構(gòu)模型進(jìn)行仿真。

Johnson-Cook本構(gòu)模型的經(jīng)驗(yàn)公式：

表1是AISI 52100的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)，表2是AISI 52100材料力學(xué)性能，表3是PCBN刀具材料力學(xué)性能。

表1 AISI 52100 Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

表2 AISI 52100材料力學(xué)性能

表3 PCBN刀具材料力學(xué)性能

1.3 建立切削仿真模型

圖2是PCBN刀具干式車削AISI 52100有限元模型，在有限元仿真時(shí)，所有PCBN刀具的切削前角均為γ0=-6°，后角α=6°。

圖2 PCBN刀具干式車削AISI 52100有限元模型

2 切削仿真試驗(yàn)參數(shù)

刀具：PCBN刀具

材料：AISI 52100

切削用量：進(jìn)給量f=0.1 mm/r和背吃刀量ap=0.2mm，切削速度分別為v=60m/min，72m/min，85m/min，100m/min，125 m/min。

仿真試驗(yàn)方案：

(1)對(duì)無(wú)織構(gòu)PCBN刀具切削AISI 52100進(jìn)行殘余應(yīng)力仿真，分析切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響；

(2)對(duì)微凹坑PCBN刀具切削AISI 52100進(jìn)行殘余應(yīng)力仿真，分析切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，并與無(wú)織構(gòu)PCBN刀具作對(duì)比分析。

3 仿真結(jié)果分析

利用有限元仿真技術(shù)分別對(duì)無(wú)織構(gòu)PCBN刀具和直徑120μm微凹坑PCBN刀具進(jìn)行模擬車削淬硬鋼AISI 52100試驗(yàn)，如圖3所示為是有限元仿真云圖，經(jīng)過大量的仿真得到相應(yīng)殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 有限元仿真云圖

3.1 無(wú)織構(gòu)PCBN刀具切削工件表面殘余應(yīng)力分析

圖4是不同切削速度下，無(wú)織構(gòu)PCBN刀具有限元仿真已加工表面殘余應(yīng)力分布圖。觀察圖4發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度從v=60 m/min增加到v=125 m/min，已加工表層(距離已加工表面層深度0～0.05mm范圍)的殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，即增加切削速度可以使已經(jīng)加工表面獲得殘余壓應(yīng)力，且數(shù)值隨著切削速度增加而變大。在距離已加工表面0.1mm左右，不同切削速度切削得到的工件表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且切削速度v=85 m/min時(shí)，殘余拉應(yīng)力達(dá)到最大值310MPa，并表現(xiàn)為隨著切削速度從v=60 m/min增加到v=125 m/min，拉應(yīng)力先增大再減小最后再增大；在距離已加工表面層深度0.3mm左右，拉應(yīng)力又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，切削速度v=60 m/min時(shí)，壓應(yīng)力值最大，表現(xiàn)為切削速度越小，壓應(yīng)力越大。

圖4 不同切削速度下，無(wú)織構(gòu)PCBN刀具有限元仿真已加工表面殘余應(yīng)力分布圖

造成上述工件表層壓應(yīng)力分布現(xiàn)象的原因是切削速度的增加，使得切削區(qū)的溫度迅速上升，工件表層發(fā)生彈塑性變形，表面層的體積開始膨脹，切削熱在工件上的傳遞需要時(shí)間，這時(shí)距離表面較深的工件材料并沒有受到切削溫度的影響而發(fā)生形變，這就會(huì)阻止表面層材料體積變大，因此在高速切削時(shí)，工件表層表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力。隨著切削的進(jìn)行，高的切削速度相對(duì)于低切削速度散熱較快，因此在低速時(shí)，切削熱逐漸向工件內(nèi)部傳遞，使距離已加工表面深度0.3mm左右時(shí)，生產(chǎn)壓應(yīng)力。

因此，根據(jù)有限元仿真結(jié)果可知，無(wú)織構(gòu)PCBN刀具干式切削AISI 52100工件時(shí)，應(yīng)選擇較大的切削速度，有利于工件表面得到殘余壓應(yīng)力，因?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力可以提高工件的耐疲勞和耐磨損等性能。

3.2 微凹坑PCBN刀具切削工件表面殘余應(yīng)力分析

圖5是不同切削速度下，微凹坑PCBN刀具有限元已加工表面殘余應(yīng)力分布圖。觀察圖5發(fā)現(xiàn)，就工件表層應(yīng)力分布而言，切削速度v=60 m/min時(shí)，已加工表面已經(jīng)開始表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，此時(shí)壓應(yīng)力為28MPa；隨著切削速度達(dá)到v=72m/min和v=85m/min，已加工表層殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，并且壓應(yīng)力達(dá)到了180MPa；但是當(dāng)切削速度增加到v=100 m/min，已加工表面層殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，此時(shí)應(yīng)力值為130MPa，在此切削速度下，在距離已加工表面層深度0.35mm處，應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為62MPa；當(dāng)切削速度繼續(xù)增加到v=125 m/min時(shí)，已加工表層殘余應(yīng)力又為壓應(yīng)力，其值達(dá)到了130MPa。對(duì)于拉應(yīng)力，在距離已加工表面0.1mm左右，各切削速度下，工件均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且隨著切削速度增加呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢(shì)，切削速度v=85m/min時(shí)拉應(yīng)力最大。切削速度對(duì)凹坑刀具切削獲得的工件表層應(yīng)力分布的原因與無(wú)織構(gòu)刀具相似，即高的切削速度會(huì)產(chǎn)生較高的切削溫度，使工件表層材料發(fā)生變形，而工件內(nèi)部并未發(fā)生變形，材料的變形晶粒與為變形晶粒相會(huì)作用而產(chǎn)生壓應(yīng)力。

圖5 不同切削速度下，微凹坑PCBN刀具有限元仿真已加工表面殘余應(yīng)力分布圖

觀察圖6不同切削速度下，無(wú)織構(gòu)刀具與微凹坑刀具有限元仿真已加工表面殘余應(yīng)力對(duì)比分布圖。仿真結(jié)果表明，相對(duì)于無(wú)織構(gòu)PCBN刀具切削獲得的已加工表面為殘余拉應(yīng)力，微凹坑PCBN刀具在較低的切削速度下，就能夠使已加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這是因?yàn)樵诘毒咔暗睹孢M(jìn)行微凹坑織構(gòu)處理，改善了刀具的結(jié)構(gòu)和刀具對(duì)加工表面的擠壓程度，微凹坑織構(gòu)減小了前刀面與切屑的接觸面積以及摩擦，對(duì)切削溫度和切削熱的分布均產(chǎn)生了影響，有限元仿真結(jié)果顯示，在相同的速度下，微凹坑刀具切削產(chǎn)生的切削力和切削溫度均小于無(wú)織構(gòu)刀具，這就使得工件的應(yīng)力分布發(fā)生了很大的變化。即使在較低的切削速度下，也能使已加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。因此，在PCBN刀具前刀面進(jìn)行微凹坑織構(gòu)處理用于切削加工，對(duì)提高工件的耐疲勞強(qiáng)度等機(jī)械性能方面有很大地促進(jìn)作用。

圖6 不同切削速度下，無(wú)織構(gòu)刀具與微凹坑刀具有限元仿真已加工表面殘余應(yīng)力對(duì)比分布圖

4 總結(jié)

通過對(duì)PCBN刀具切削AISI 52100工件的殘余應(yīng)力進(jìn)行大量的有限元模擬試驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)比分析，得到了微凹坑織構(gòu)和切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的分布存在影響：無(wú)織構(gòu)PCBN刀具低速切削AISI 52100時(shí)，表面層獲得殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，切削速度大于v=85 m/min時(shí)，已加工表面層呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，并且隨著切削速度的增加，殘余壓應(yīng)力變大。微凹坑PCBN刀具在v=60 m/min時(shí)，切削后的工件表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，當(dāng)切削速度達(dá)到v=72 m/min和v=85 m/min，已加工表面均為殘余壓應(yīng)力，且數(shù)值變大。與無(wú)織構(gòu)刀具對(duì)比分析，在相同的切削速度下，微凹坑刀具切削后的工件表層基本表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，但是切削速度v=100m/min時(shí)微凹坑刀具切削的工件表層表現(xiàn)為拉應(yīng)力。

因此，仿真結(jié)果表明微凹坑織構(gòu)更加有利于獲得具有良好耐磨損、耐疲勞性能的工件，有效地改善了刀具切削性能。本次有限元仿真試驗(yàn)為推廣微織構(gòu)在刀具切削領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。