基于MQL的微切削Inconel 718殘余應(yīng)力優(yōu)化研究

吳淑晶，林靖朋，安慶龍，李長(zhǎng)河，王大中

1上海工程技術(shù)大學(xué)；2中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司；3上海交通大學(xué)；4青島理工大學(xué)

1 引言

Inconel 718合金具有優(yōu)異的機(jī)械和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。Inconel 718合金因低導(dǎo)熱性[1]及殘余應(yīng)力難以控制而成為一種難加工材料，對(duì)其進(jìn)行切削加工研究越來(lái)越受到重視[2，3]。對(duì)此，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)探討切削因素對(duì)Inconel 718合金表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，優(yōu)化切削參數(shù)控制殘余應(yīng)力水平，使表面質(zhì)量得以提高[4]。刀尖圓弧半徑和進(jìn)給量對(duì)微銑削Inconel 718合金殘余應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生影響，盧曉紅等[5]針對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響因素，采取三維建模仿真開(kāi)展微銑削研究，以X射線衍射方法測(cè)量不同進(jìn)給量條件下進(jìn)給和垂直方向上的殘余應(yīng)力值，并在Inconel 718合金切削機(jī)理方面進(jìn)行了有益的探索。在Inconel 718合金表面殘余應(yīng)力研究方面，曹成銘等[6]利用有限元法對(duì)Inconel 718合金的高速正交銑削進(jìn)行模擬仿真，獲得切削力、切削溫度和殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，切削速度為100～3000m/min時(shí)，刀尖溫度隨切削速度增大而增大，高溫作用使工件產(chǎn)生軟化效應(yīng)，切削力隨切削速度增大而減??；殘余應(yīng)力的層深度分布在已加工表面0.5mm以下，最大表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，當(dāng)切削速度為2000m/min時(shí)，兩個(gè)方向的最大表面殘余應(yīng)力均較小。該研究從零件的疲勞壽命角度分析表明，2000m/min是銑削Inconel 718的最優(yōu)加工速度。此外，為了改善表面質(zhì)量引入超聲振動(dòng)等輔助加工方法，如選用涂層硬質(zhì)合金刀具，在80～240m/min速度條件下進(jìn)行常規(guī)切削和高速超聲振動(dòng)切削的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，后者的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于常規(guī)切削[7]。上述研究對(duì)Inconel 718合金殘余應(yīng)力優(yōu)化理論研究做出了貢獻(xiàn)，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有指導(dǎo)意義。

隨著切削理論與技術(shù)的發(fā)展，研究人員償試將更多有益的元素加入到切削理論與工藝中，不斷豐富本領(lǐng)域的研究成果。MQL被認(rèn)為是切削領(lǐng)域極具前景的一種綠色切削加工技術(shù)[8，9]。為了研究MQL磨削的低溫冷卻潤(rùn)滑效果，文獻(xiàn)[10]選用離子液體作為磨削液，對(duì)MQL磨削界面開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)仿真模擬實(shí)驗(yàn)。該文獻(xiàn)通過(guò)分析MQL磨削界面的熱量分布規(guī)律，探討了磨削界面熱量產(chǎn)生與傳播機(jī)理，揭示了磨削加工過(guò)程中磨削力及其磨削力比，得到了磨粒與工件之間的液膜分布狀態(tài)變化規(guī)律。

以實(shí)際加工條件和加工工藝為依托，對(duì)比研究MQL和切削液噴淋形態(tài)對(duì)刀具磨損及使用壽命的影響規(guī)律，優(yōu)化切削加工工藝參數(shù)和MQL功能參數(shù)，可以使MQL條件下的刀具使用壽命得以延長(zhǎng)[11]。在MQL系統(tǒng)的切削油霧化特性方面，袁松梅等[12]采用激光粒度分析儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以此討論了壓縮空氣的流量、油霧的噴射距離、切削油的使用量等對(duì)霧化的霧粒平均直徑及尺寸分布與形態(tài)的影響規(guī)律，為MQL的霧化特性研究提供了支持。賈東洲等[13]針對(duì)MQL通過(guò)壓縮氣體霧化顆粒的細(xì)化程度較低、易于隨風(fēng)飄散、切削油利用率低以及對(duì)環(huán)境和操作人員身心健康產(chǎn)生危害等問(wèn)題，提出氣輔式靜電MQL霧化方法，可以有效改善上述存在的問(wèn)題；同時(shí)進(jìn)行了多工況條件下的霧化性能對(duì)比試驗(yàn)研究，對(duì)Inconel 718合金磨削表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

為研究低溫冷卻潤(rùn)滑對(duì)Inconel 718合金表面質(zhì)量影響規(guī)律，文獻(xiàn)[14]基于有限元軟件仿真設(shè)計(jì)三種不同的冷卻潤(rùn)滑方式，即干式、液體澆注式和低溫冷風(fēng)MQL加工，對(duì)比了不同加工條件對(duì)切削力、切削溫度、切屑形態(tài)和殘余應(yīng)力的影響程度。而文獻(xiàn)[15]采用納米流體微量潤(rùn)滑(NF-MQL)銑削加工Inconel 718合金，通過(guò)提高材料去除率、降低功率和溫度，實(shí)現(xiàn)加工效率與質(zhì)量的協(xié)調(diào)優(yōu)化，但對(duì)Inconel 718合金微切削領(lǐng)域的研究，目標(biāo)優(yōu)化僅限于部分參數(shù)的仿真與實(shí)驗(yàn)，理論方面還待進(jìn)一步探討。

有鑒于此，本文在常規(guī)切削中加入MQL，分析不同加工條件下的切削性能，利用田口法進(jìn)行Inconel 718合金微切削優(yōu)化的研究，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。研究成果具有一定的理論價(jià)值，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

2 MQL微切削過(guò)程的有限元模型

如圖1所示，采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)開(kāi)展模型建模工作，選用仿真材料本構(gòu)模型描述材料流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度之間的函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]所提供的材料模型，通過(guò)應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的關(guān)系來(lái)描述材料的等效流動(dòng)應(yīng)力，有

(1)

圖1 建立MQL微切削模型

MQL微切削Inconel 718合金建模[2，3]如圖1所示，工件上下表面為滑動(dòng)邊界，左右端分別為歐拉邊界和拉格朗日邊界。MQL微切削熱傳遞方式分三種類型：切屑與霧化液傳熱，刀具與霧化液傳熱，工件變形區(qū)域與刀尖傳熱。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在微切削過(guò)程中，影響切削力、切削溫度的因素很多，文獻(xiàn)[17]研究表明，切削參數(shù)和刀具幾何形狀等對(duì)切削力和溫度影響顯著。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展仿真驗(yàn)證、殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)等，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2所示，設(shè)定參數(shù)如表1所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案

表1 Inconel 718的機(jī)械和物理性能

工件材料、刀具材料、刀具幾何形狀、MQL中使用的切削油和傳熱系數(shù)等數(shù)據(jù)如表2所示，初始環(huán)境溫度為20℃。實(shí)驗(yàn)切削加工條件如表3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表3 切削加工條件

4 研究殘余應(yīng)力變化規(guī)律

開(kāi)展切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量、刀尖半徑及刀具前角等變量對(duì)殘余應(yīng)力影響規(guī)律的研究，將MQL與干切削(DRY)條件下的殘余應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 切削速度因素變化影響

切削速度vc分別為70m/min，90m/min，110m/min，130m/min時(shí)，不同vc的工件表面殘余應(yīng)力沿深度分布如圖3a和圖3b所示?？梢?jiàn)，殘余應(yīng)力隨vc增加而增加；距表面0.09～0.175mm的殘余應(yīng)力變化方向相反，工件表面深度大于0.15mm時(shí)，殘余應(yīng)力趨于0。不同vc條件下的殘余應(yīng)力、MQL與DRY的優(yōu)化比例數(shù)值如圖3c所示。當(dāng)vc=90m/min時(shí)優(yōu)化比例最高為12%，vc=110m/min時(shí)優(yōu)化比例下降至4.8%；優(yōu)化比例的波動(dòng)值較大，選擇vc較低時(shí)可以降低殘余應(yīng)力提高M(jìn)QL潤(rùn)滑效果。

(a)微量潤(rùn)滑切削(MQL)

4.2 進(jìn)給量f對(duì)殘余應(yīng)力的影響

選取進(jìn)給量f分別為0.05mm/r，0.10mm/r，0.15mm/r，0.2mm/r時(shí)，不同f條件下的工件表面殘余應(yīng)力深度仿真分布如圖4a和圖4b所示。當(dāng)表面深度<0.05mm時(shí)，f=0.15 mm/r時(shí)的殘余應(yīng)力最大,當(dāng)工件表面深度>0.05mm時(shí)，f=0.2 mm/r時(shí)的殘余應(yīng)力最大；進(jìn)給量越小，工件表面殘余應(yīng)力的深度越淺；進(jìn)給量增大時(shí)，工件不同深度的殘余應(yīng)力變化明顯。不同f的最大殘余應(yīng)力仿真值、MQL與DRY的優(yōu)化如圖4c所示。f<0.15mm/r時(shí)，殘余應(yīng)力的優(yōu)化比例增大；當(dāng)f=0.1mm/r時(shí)，MQL的優(yōu)化效果最好；當(dāng)f=0.05 mm/r時(shí)工件表面的殘余應(yīng)力最小，優(yōu)化比例波動(dòng)的幅度在6%之內(nèi)。故切削加工時(shí)f盡可能避開(kāi)0.15mm/r，殘余應(yīng)力優(yōu)化比例處于最低水平。

(a)微量潤(rùn)滑切削(MQL)

4.3 背吃刀量ap對(duì)殘余應(yīng)力的影響

取ap分別為0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm進(jìn)行仿真，殘余應(yīng)力在不同深度的分布規(guī)律如圖5a和圖5b所示。不同ap的殘余應(yīng)力曲線分布很近，說(shuō)明ap的變化對(duì)殘余應(yīng)力影響不顯著。不同ap條件下的最大殘余應(yīng)力取值及MQL與DRY的優(yōu)化比例如圖5c所示，表明ap對(duì)殘余應(yīng)力影響很小。當(dāng)ap=0.3mm時(shí)，工件表面的殘余應(yīng)力最小，優(yōu)化比例最高。不同ap條件下的殘余應(yīng)力優(yōu)化比例的變化不大，整體優(yōu)化比例為10%左右，加入MQL可以獲得良好的加工效果。

(a)微量潤(rùn)滑切削(MQL)

4.4 刀尖半徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律分析

選取刀尖半徑r分別為0.02mm，0.04mm，0.06mm，0.08mm，刀尖的殘余應(yīng)力沿表面深度分布規(guī)律如圖6a和圖6b所示。表面深度小于0.07mm時(shí)，刀尖半徑r為0.04mm和0.06mm時(shí)的殘余應(yīng)力趨近相同，距表面越深，刀尖半徑r對(duì)殘余應(yīng)力的影響越大，刀尖半徑r越小，無(wú)殘余應(yīng)力的深度越小。不同刀尖處的最大殘余應(yīng)力值及MQL與DRY的優(yōu)化如圖6c所示。刀尖半徑r增大表面的擠壓越激烈，殘余應(yīng)力也越大，刀尖半徑r=0.02mm時(shí)，表面的殘余應(yīng)力最??；刀尖半徑r<0.06mm時(shí)，優(yōu)化比例呈減小趨勢(shì)，優(yōu)化的范圍變動(dòng)較大；當(dāng)r=0.02mm和r=0.08mm時(shí)，MQL優(yōu)化比例超過(guò)13%，故選擇較小的刀尖半徑r可以改善表面質(zhì)量。

(a)微量潤(rùn)滑切削(MQL)

4.5 刀具前角γ0對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律分析

刀具前角γ0和后刀面的磨損量對(duì)殘余應(yīng)力均會(huì)產(chǎn)生影響。選擇γ0為3°，6°，9°，12°時(shí)，不同γ0的殘余應(yīng)力沿表面深度分布規(guī)律如圖7a和圖7b所示。不同γ0的殘余應(yīng)力曲線距離很近變化不顯著，與ap的殘余應(yīng)力曲線接近，說(shuō)明γ0對(duì)殘余應(yīng)力的影響不顯著。不同γ0處的最大殘余應(yīng)力值、MQL與DRY的優(yōu)化如圖7c所示。當(dāng)γ0>6°時(shí)，殘余應(yīng)力呈減小趨勢(shì)的變化規(guī)律；當(dāng)γ0=3°時(shí)，殘余應(yīng)力最??；γ0增大時(shí)MQL與DRY的優(yōu)化比例呈減小趨勢(shì)，優(yōu)化比例與前角大小成反比。選擇較小的γ0進(jìn)行切削加工可提高工件表面質(zhì)量。

(a)微量潤(rùn)滑切削(MQL)

5 基于田口法切削加工的優(yōu)化

5.1 信噪比

田口法采用信噪比進(jìn)行分析[18，19]。依據(jù)田口法進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)因素水平的變化驗(yàn)證對(duì)指標(biāo)的影響。依據(jù)因素的自由度、離差平方和、平均離差平方和及F比去除因素水平的顯著性開(kāi)展方差分析。信噪比可以分為望小特性、望大特性以及望目特性等類型。表面殘余應(yīng)力越小，工件疲勞壽命和強(qiáng)度越高。

采用望小特性公式，有

(2)

式中，yi為對(duì)信號(hào)的響應(yīng)；n為實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)。

望小特性的具體結(jié)果如表4所示。本研究采用高低二水平部分因子法設(shè)計(jì)篩選試驗(yàn)，因子為切削速度A、進(jìn)給量B、背吃刀量C、刀尖半徑D、刀具前角E等因素，實(shí)驗(yàn)水平為表5中的4個(gè)水平，采用L16(45)正交表，開(kāi)展16次仿真試驗(yàn)。

表4 L16(45)田口正交表

表5 N響應(yīng)表

表5為根據(jù)表4得到的響應(yīng)表，對(duì)響應(yīng)因素水平變化排名，極差越大，排名越高。分析得到滿足殘余應(yīng)力最小因子的最優(yōu)組合為A1B1C2D1E2，此時(shí)切削速度vc=70m/min，進(jìn)給量f=0.05 mm/r，背吃刀量ap=0.3mm，刀尖半徑r=0.02mm，前角γ0=6°。五個(gè)因子的極差排名為f>r>γ0>ap>vc。

表6為方差結(jié)果，可獲得不同因子對(duì)輸出結(jié)果的影響規(guī)律。其中DOF為自由度，S為離差平方和，MS為平均離差平方和。進(jìn)給量、刀尖半徑、刀具前角、背吃刀量和切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的貢獻(xiàn)度分別為41.97%，38.85%，6.69%，6.43%，6.06%。

表6 田口法方差分析

5.2 田口法優(yōu)化預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)

田口法的優(yōu)化預(yù)測(cè)值可以表示為

(3)

上述分析工件表面殘余應(yīng)力最小的最優(yōu)組合為A1B1C2D1E2。根據(jù)式(3)計(jì)算η的值為

η=-51.61+[-50.54-(-51.61)]+[-49.81
-(-51.61)]+[-50.81-(-51.61)]
+[-49.40-(-51.61)]+[-50.82
-(-51.61)]=-44.97

將η代入式(2)，MQL切削Inconel 718合金的優(yōu)化殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)值為177.23MPa，DRY優(yōu)化后的表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)值為201.83MPa。與DRY相比，MQL切削的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)值減小12.2%。

各組合優(yōu)化得到的殘余應(yīng)力值如圖8所示。當(dāng)工件表面深度0.02～0.035mm時(shí)，DRY與MQL切削的殘余應(yīng)力基本相同，其余深度時(shí)，DRY殘余應(yīng)力大于MQL切削；當(dāng)工件表面深度大于0.075mm時(shí)，殘余應(yīng)力趨近于0。

圖8 兩種切削條件下最優(yōu)組合的殘余應(yīng)力分布規(guī)律

田口正交表中MQL與DRY的殘余應(yīng)力對(duì)比如圖9所示。MQL車削時(shí)的殘余應(yīng)力值與DRY大小交替波動(dòng)。微切削時(shí)受到尺寸效應(yīng)等影響，機(jī)械應(yīng)力和相變與宏觀切削不同，導(dǎo)致MQL條件下一些殘余應(yīng)力值大于干切削的殘余應(yīng)力值。

本研究的實(shí)驗(yàn)值為多次實(shí)驗(yàn)的平均值，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較如表7所示。MQL的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的誤差在5%左右，DRY的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的誤差在6%左右，證明有限元法和田口法的正確性。

圖9 田口正交表MQL與DRY殘余應(yīng)力

表7 殘余應(yīng)力值的比較

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于MQL開(kāi)展了微切削Inconel 718殘余應(yīng)力優(yōu)化研究，在微切削過(guò)程中MQL切削條件的殘余應(yīng)力值并不總是小于DRY。受微切削尺寸效應(yīng)影響，機(jī)械應(yīng)力和相變與宏觀切削不同，導(dǎo)致MQL切削條件下出現(xiàn)某些殘余應(yīng)力值大于DRY殘余應(yīng)力值的情況。MQL微切削的工件表面質(zhì)量?jī)?yōu)于干切削，具體結(jié)論如下。

(1)殘余應(yīng)力隨切削速度增加而增加。在距工件表面深度0.09～0.175mm范圍內(nèi)殘余應(yīng)力變化方向相反，發(fā)生殘余應(yīng)力消失的趨勢(shì)。切削速度為90m/min時(shí)，優(yōu)化比例最高約為12%；當(dāng)切削速度提高至110m/min時(shí)，優(yōu)化比例降低4.8%，選擇較低切削速度可降低殘余應(yīng)力。

(2)表面深度小于0.05mm范圍內(nèi)，進(jìn)給量為0.15mm/r時(shí)，殘余應(yīng)力值最大；表面深度大于0.05mm時(shí)，進(jìn)給量為0.20 mm/r時(shí)，殘余應(yīng)力值最大。進(jìn)給量小于0.15mm/r時(shí)，殘余應(yīng)力的優(yōu)化比例增大；選擇進(jìn)給量為0.1mm/r時(shí)，MQL的優(yōu)化效果最佳；選擇進(jìn)給量為0.05 mm/r時(shí)殘余應(yīng)力最小。表面深度小于0.07mm、刀尖半徑選擇0.04mm和0.06mm時(shí)的殘余應(yīng)力基本相同，之后表面深度越深，刀尖半徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響越大；當(dāng)?shù)都獍霃綖?.02mm時(shí)，工件表面的殘余應(yīng)力最小；當(dāng)?shù)都獍霃叫∮?.06mm時(shí)，優(yōu)化比例呈減小趨勢(shì)，故選擇較小或者較大的刀尖半徑有利于工件表面質(zhì)量的優(yōu)化。

(3)本研究殘余應(yīng)力最小的最優(yōu)組合為A1B1C2D1E2，即f=0.05mm/r，r=0.02mm，γ0=6°，ap=0.3mm，vc=70m/min為最優(yōu)，該條件下殘余應(yīng)力優(yōu)化比例為12%。各參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的貢獻(xiàn)度分別為進(jìn)給量41.97%，刀尖半徑38.85%，刀具前角6.69%，背吃刀量6.43%，切削速度為6.06%。