低溫切削奧氏體304不銹鋼殘余應(yīng)力研究

彭澤宇， 顏培

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，奧氏體304不銹鋼這一難加工材料使用量與日俱增，為了改善其難加工的特點，低溫切削作為一種先進手段提上日程。與傳統(tǒng)切削液手段相比，低溫切削是一種可持續(xù)型加工方法，對人體與環(huán)境的友好性較高[1]。

液態(tài)氮、液態(tài)二氧化碳、液態(tài)氧等使工件加工區(qū)域處于較低溫度范圍以降低切削溫度，改善工件質(zhì)量、減小刀具磨損[2]。按照冷卻方法的不同低溫切削可分為：切削區(qū)域冷卻法、工件冷卻法和刀具冷卻法3類[3]，本文采用的方法是工件冷卻法。

目前，國內(nèi)外已有不少針對低溫切削對加工性能影響的研究。Dhananchezian等[4]采用帶傳輸孔的刀具加工鈦合金Ti-6Al-4V,通過對比傳輸孔輸入液氮冷卻和傳統(tǒng)切削液冷卻刀具與工件兩種冷卻方式，發(fā)現(xiàn)使用液氮作為傳輸介質(zhì)比傳統(tǒng)切削液有以下優(yōu)勢：切削溫度降低61%～66%、切削力降低35%～41%、表面粗糙度與刀具磨損降低35%～40%. Umbrello等[5]使用立方氮化硼(CBN)刀具正交切削鋁合金AlSI52100，研究低溫切削對表面形貌、殘余應(yīng)力、相變等表面質(zhì)量的影響，認為低溫切削后工件材料的表面質(zhì)量整體提高，提高了工件的使用性能和使用壽命等。

對于殘余應(yīng)力方面的研究，很多學(xué)者認為工件材料性質(zhì)、切削參數(shù)、刀具參數(shù)等都是切削殘余應(yīng)力的影響因素[6-7]。Jacobus等[8]對金屬切削過程中的殘余應(yīng)力做了一個以增量塑性模型為基礎(chǔ)的解析模型，通過該模型分析了熱應(yīng)力與機械效應(yīng)對殘余應(yīng)力分布的影響，并分析了通過不同的熱應(yīng)力與機械應(yīng)力產(chǎn)生條件確定最終殘余應(yīng)力分布的3種情況。但該模型從定量觀點來說過為粗糙，無法解釋工件表層下殘余應(yīng)力最大值的現(xiàn)象，也不能具體描述殘余應(yīng)力最終分布圖像[9-11]。

本文在彈塑性理論基礎(chǔ)上分析車削過程殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理。該機理解釋了機械效應(yīng)與熱效應(yīng)如何對殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，分析了二者對殘余應(yīng)力的最終影響。在此基礎(chǔ)上通過試驗測得試驗中的切削力(機械效應(yīng))，利用金屬成形分析軟件DEFROM觀察切削過程中工件表面下的溫度分布(熱效應(yīng))，研究低溫切削對工件最終殘余應(yīng)力的影響。通過電解腐蝕法得到車削過程的殘余應(yīng)力分布，驗證理論分析的準(zhǔn)確性，以期為低溫切削更有效、精準(zhǔn)地控制切削過程的殘余應(yīng)力打下基礎(chǔ)。

1 液氮預(yù)冷工件試驗

為了使低溫切削過程中的工件降溫，需要將工件浸入液氮中預(yù)冷，本文的目的是對低溫溫度進行量化。使用有限元軟件ANSYS對液氮浸泡過程進行模擬，并通過后處理功能觀察工件溫度分布與時間的關(guān)系，根據(jù)溫度- 時間曲線選取目標(biāo)溫度下的時間值并指導(dǎo)試驗，通過熱電偶測溫裝置對溫度進行測量并驗證有限元模擬有效性。

有限元模擬過程中,工件材料密度為7 930 kg/m3,初始溫度為20 ℃,液氮與工件之間的傳熱是沸騰傳熱(對流傳熱的一種)。為了優(yōu)化模擬結(jié)果，工件熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容和工件與液氮之間的對流傳導(dǎo)系數(shù)不采用固定數(shù)值，具體參數(shù)與溫度的關(guān)系如表1和表2所示。

表1 不銹鋼低溫參數(shù)

表2 液氮低溫對流系數(shù)

使工件溫度分別降為0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃、-100 ℃,尋找目標(biāo)點在不同相應(yīng)溫度下的時間，利用ANSYS軟件后處理功能得到目標(biāo)點即工件圓柱側(cè)面距離底面5 cm處溫度- 時間曲線，如表3所示。

表3 有限元仿真結(jié)果

利用有限元模擬結(jié)果指導(dǎo)試驗，將工件浸泡入液氮中，到指定時間取出，并用熱電偶測量目標(biāo)點的溫度，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗結(jié)果

通過對比試驗與有限元模擬溫度差值，誤差較小，可以利用此模型指導(dǎo)液氮浸泡工件試驗。

2 低溫條件下金屬切削殘余應(yīng)力形成過程分析

2.1 材料相變

由于車削奧氏體304不銹鋼過程中溫度很難達到材料相變溫度，且低溫誘發(fā)材料相變需要較長的時間，本文利用液氮預(yù)冷工件的時間在10 min以內(nèi)，因此在分析殘余應(yīng)力形成原因時忽略相變的影響。

2.2 切削殘余應(yīng)力形成過程分析

1)機械效應(yīng)。在金屬車削過程中，剪切區(qū)發(fā)生滑移變形，產(chǎn)生平行于滑移線的剪切屈服應(yīng)力和垂直于滑移線的正應(yīng)力，后刀面與工件之間產(chǎn)生摩擦力和與之垂直的正應(yīng)力。根據(jù)力學(xué)原理，這兩部分力在工件表層以下產(chǎn)生應(yīng)力場，距離工件表面越近、產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，當(dāng)應(yīng)力大于材料屈服極限時材料發(fā)生塑性變形，且隨著應(yīng)力的減小、塑性變形程度減小，直到應(yīng)力小于材料屈服強度時，發(fā)生塑性變形的區(qū)域就是硬化層。硬化層以下的材料則發(fā)生彈性變形。當(dāng)?shù)毒唠x開工件硬化層材料發(fā)生塑性拉伸、不能恢復(fù)到原來的長度，里層材料開始彈性恢復(fù)，外層材料受到里層材料的擠壓在工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力σa，硬化層處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力σb. 由于力的平衡作用，里層材料產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力σc，如圖1所示。

圖1 機械效應(yīng)對殘余應(yīng)力的影響Fig.1 Effect of mechanical effect on residual stress

2)熱效應(yīng)。金屬成形過程中，剪切區(qū)材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生能量、生成大量的熱，同時后刀面與工件表面摩擦生熱也有大量的熱產(chǎn)生，其中第1部分熱源一部分傳入切屑、另一部分傳入工件，第2部分熱源分別傳入刀具和工件。由于金屬切削過程速度很快，熱量產(chǎn)生又很大，大量的熱量在極短的時間傳入工件內(nèi)部，在工件內(nèi)部形成較大溫差。工件表面受熱膨脹而受到里層金屬的牽制，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料屈服極限時，將使表層金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形，當(dāng)溫度恢復(fù)后表層金屬不能彈性恢復(fù)受里層金屬拉伸的作用，在表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力σ′a，硬化層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力σ′b，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力σ′c.

需要說明的是，熱應(yīng)力大小取決于表層和里層材料膨脹程度的差值，這個差值越大、產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大，壓縮塑性變形也越大，最終工件表面形成更大的殘余拉應(yīng)力。決定這個差值的因素是表層與里層溫度的差值，如圖2所示。

圖2 熱效應(yīng)對殘余應(yīng)力的影響Fig.2 Effect of thermal effect on residual stress

綜上所述，殘余應(yīng)力是機械效應(yīng)與熱應(yīng)力疊加的結(jié)果，熱應(yīng)力使工件表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，機械效應(yīng)使工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

2.3 低溫切削條件下殘余應(yīng)力形成過程分析

下面通過分析低溫切削條件影響機械效應(yīng)與熱效應(yīng)，來分析低溫切削條件下的殘余應(yīng)力形成過程。

1)低溫切削機械效應(yīng)。機械效應(yīng)在宏觀上表現(xiàn)為切削力對殘余應(yīng)力的影響，切削力的主要形成原因是切削過程中金屬滑移剪切的屈服應(yīng)力。而溫度是影響材料屈服強度的主要因素，低溫條件下材料屈服應(yīng)力的增加導(dǎo)致切削力增大，切削力的增加又使加工后工件表面的殘余壓應(yīng)力增大。

2)低溫切削熱效應(yīng)。根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，物體溫度差越大，相同時間內(nèi)傳遞的熱量就越大，即熱傳導(dǎo)率增大。在低溫切削過程中熱源與工件的溫差較常溫切削情況下大，表現(xiàn)為低溫切削條件下熱量傳遞效率高，物體熱傳導(dǎo)率越大，其溫度場分布就越均勻。最終表現(xiàn)為低溫切削條件下工件表面與里層溫度差小、熱效應(yīng)作用減少，工件表面形成更小的殘余拉應(yīng)力。

低溫切削條件下機械效應(yīng)使工件更易于產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而熱效應(yīng)使工件更易于產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。由此可以推斷，低溫切削條件下工件表面的殘余應(yīng)力向殘余壓應(yīng)力發(fā)展的趨勢。

3 低溫切削試驗

3.1 試驗方案

圖3 Hawk數(shù)控車床Fig.3 Hawk CNC lathe

切削試驗工件為奧氏體304不銹鋼圓柱，直徑10 cm、長20 cm. 切削參數(shù)為切削深度ap=0.4 mm，進給量f=0.1 mm/r，切削速度v=120 m/min. 切削車床采用德國DMG MORI公司生產(chǎn)的Hawk車床(見圖3)。利用電腐蝕法測得殘余應(yīng)力影響層在300 ～350 μm，殘余應(yīng)力影響層小于切削深度，因此試驗無需進行殘余應(yīng)力消除。刀具幾何參數(shù)如表5所示。

表5 刀具幾何參數(shù)

3.2 殘余應(yīng)力測定

利用邯鄲市艾斯特應(yīng)力技術(shù)有限公司研發(fā)的X-350A X射線殘余應(yīng)力測量儀(見圖4)測量殘余應(yīng)力，利用電解腐蝕裝置腐蝕表層材料，該腐蝕裝置利用NaCl溶液通過5 V電壓、20 mA電流腐蝕金屬表面。腐蝕完成后利用千分尺測量某點腐蝕深度，之后在測量點測得殘余應(yīng)力，得到殘余應(yīng)力分布曲線。本文測量殘余應(yīng)力的方向為圓柱工件的軸向。

圖4 X-350A X射線殘余應(yīng)力測量儀Fig.4 X-350A X-ray residual stress measuring instrument

3.2 試驗結(jié)果

試驗中各軸切削力的大小如表6所示。

表6 各軸切削力

各低溫溫度下低溫切削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 殘余應(yīng)力分布曲線Fig.5 Residual stress distribution curves

4 試驗結(jié)果分析

4.1 機械效應(yīng)

在試驗中各軸切削力隨低溫預(yù)冷溫度的變化趨勢如圖6所示。

圖6 切削力與預(yù)冷溫度關(guān)系Fig.6 Relationship between cutting force and pre-cooling temperature

觀察溫度- 切削力曲線可以發(fā)現(xiàn)，在本文切削參數(shù)下各軸切削力隨溫度的降低逐漸增加。通過分析切削力可知，低溫切削使得機械效應(yīng)增大，且溫度越低、機械效應(yīng)的效果越明顯。這樣隨著溫度的降低，工件殘余應(yīng)力向殘余壓應(yīng)力發(fā)展的趨勢越大。

4.2 熱效應(yīng)

熱效應(yīng)使工件形成殘余拉應(yīng)力，且表面與里層的溫度差影響殘余拉應(yīng)力的大小。由于在切削過程中測量工件溫度分布極其困難，本文利用金屬成形分析軟件DEFORM對切削參數(shù)為ap=0.4 mm，f=0.1 mm/r，v=120 m/min的車削過程在不同低溫溫度下進行數(shù)值模擬，觀察切削過程中熱應(yīng)力影響區(qū)域的溫度分布(見圖7)。

圖7 DEFORM車削仿真溫度分布Fig.7 DEFORM simulation temperature distribution of cutting

利用DEFORM有限元軟件后處理功能，得到同一切削參數(shù)下不同低溫溫度目標(biāo)點即沿切削速度方向距離刀尖定點0.2 mm處表面溫度和距離表面0.3 mm處的溫度(殘余應(yīng)力影響層深度)，結(jié)果如表7所示。

表7 溫度梯度與預(yù)冷溫度關(guān)系

通過表7可以看出，隨著低溫切削預(yù)冷溫度的降低，工件表面與里層的溫度差減少，使得熱應(yīng)力減小，最終由熱應(yīng)力形成的殘余拉應(yīng)力減小。

5 結(jié)論

本文研究了低溫切削殘余應(yīng)力形成過程，通過試驗與有限元技術(shù)分析了低溫對殘余應(yīng)力影響過程。得到以下主要結(jié)論：

1)在不考慮相變情況下，殘余應(yīng)力的形成主要是機械效應(yīng)與熱效應(yīng)。

2)低溫切削使機械效應(yīng)增強，產(chǎn)生更大的切削力，增大工件表面的殘余應(yīng)力，使工件殘余應(yīng)力向著殘余壓應(yīng)力的趨勢發(fā)展。

3)低溫切削使熱效應(yīng)減弱，工件表面溫度差減小，從而減小工件表面的殘余應(yīng)力。

4)低溫切削使得加工殘余應(yīng)力向著殘余壓應(yīng)力的趨勢發(fā)展，且溫度越低，這種趨勢越明顯。